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CN102859332B - 传感器元件及其制造方法与用法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于获取机械状态变量的传感器元件，其包括至少一个光波导，在光波导内引入至少一个光纤布拉格光栅，传感器元件包括至少一个平面光学滤波器元件，从光波导发出的光能够被供至平面光学滤波器元件，传感器元件还具有至少一个测量装置，测量装置能够用于确定斯托克斯线与反斯托克斯线之间的强度比和/或光信号的传播时间。本发明还涉及一种用于获取机械状态变量的方法，其中，至少一个光波导沿着测量区段延伸，多个光纤布拉格光栅布置到光波导中，具有至少能够预定的中心波长以及能够预定的谱宽的光被耦合到光波导中，并且在光波导内反射和/或散射的光被供到至少两个测量装置，在第一测量装置中，从光波导以选择的频谱范围发出的光的强度被确定，并且在第二测量装置中，斯托克斯线与反斯托克斯线之间的强度比和/或光信号的传播时间被确定。

Description

传感器元件及其制造方法与用法
技术领域
本发明涉及获取机械状态变量的传感器元件以及方法，所述传感器元件包括至少一个光波导，至少一个光纤布拉格光栅（fiberBragggrating）位于光波导内，传感器元件具有至少一个平面光学滤波器元件，从光波导射出的光能够被供至所述平面光学滤波器元件。
背景技术
欧洲专利公开文献EP0509537A2公开了一种上述类型的传感器元件。该传感器元件包括光纤，在光纤上传播光学信号。在机械应力的作用下，产生光学信号变形，所述变形能够借助于相关的测量电子器件被确定。然而，不足之处是为了检测信号变形的高设备代价，从而这种已知的传感器元件的使用限于很少的应用领域。
从现有技术看出，本发明的目的是提供一种用于测量机械状态变量的传感器元件，所述传感器元件能够代价少地并因此更成本高效地提供所需的测量值。
发明内容
以下说明应当理解为所提出的特征存在于本发明的至少一个实施例中。这并不排除其它特征的出现。在权利要求书限定“第一”和“第二”特征时，这种指派用于在类似的特征之间进行区分，而不规定任何具体优先级。
在一个实施例中，本发明涉及用于获取机械状态变量的传感器元件，其包括至少一个光波导，多个光纤布拉格光栅位于所述光波导内。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，所述传感器元件还包括至少一个第一光源以及至少一个第二光源，这些光源的光能够被耦合到至少一个光波导中。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，其中，第一光源包括至少一个超发光二极管和/或第二光源包括短脉冲激光器、尤其Q开关微片激光器。在一些实施例中，第一光源可以具有第一波长，第二光源可以具有第二波长，第二波长与第一波长不同。在本发明的一些实施例中，第一光源和第二光源能够以脉冲的方式操作，脉冲与暂停时间彼此相配，从而这两种光源不会同时发光。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，该传感器元件还包括至少一个平面光学滤波器元件，从光波导发出的第一光源的光能够利用所述平面光学滤波器元件被接收。在本发明的一些实施例中，传感器元件可以包括多个并行的平面光学滤波器元件，在光波导内反射的光利用至少一个耦合器和/或复用器能够至少部分地被供至所述平面光学滤波器元件。在本发明的一些实施例中，平面光学滤波器元件的各个通道的接收曲线分别具有不同的波长。在本发明的一些实施例中，相邻的通道可以相差大约2nm至大约10nm。在本发明的一些实施例中，平面光学滤波器元件可以包括阵列式波导芯片和/或定向耦合器和/或延迟线干涉仪和/或MachZehnder干涉仪。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，在传感器元件内，至少一个光纤布拉格光栅可以通过用飞秒激光脉冲辐照光波导的预限定的纵向区段而获得。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，在传感器元件内，从光波导发出的第二光源的光可以被供至用于确定斯托克斯线与反斯托克斯线之间的强度比的装置和/或用于确定光的传播时间的装置。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，在传感器元件内，多个光纤布拉格光栅中的每个光纤布拉格光栅具有不同的晶格常数。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，在该传感器元件中，如果没有机械应力作用在光纤布拉格光栅上，则阵列式波导芯片的接收范围的最小值（该最小值位于各通道之间）大致对应于由光学布拉格光栅所反射的波长。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，该传感器元件还包括复用器，经由所述复用器，多个光波导能够与至少一个光源和/或至少一个测量装置依次相连。
在一个实施例中，本发明涉及传感器元件，在该传感器元件中，光波导具有芯体以及包层，芯体的材料是名义上未掺杂的。
在一个实施例中，本发明涉及用于获取机械状态变量的方法，其中，至少一个光波导沿一测量距离延伸，多个光纤布拉格光栅被引入到所述光波导中，具有至少可预定的中心波长和可预定的谱宽的光被耦合到光波导中，并且光波导内反射的光被供至测量装置。在一个实施例中，本发明涉及方法，在该方法中，来自第一光源的频谱宽带辐射以及来自第二光源的脉冲式频谱窄带辐射被供至光波导。在一些实施例中，频谱窄带辐射的波长与频谱宽度辐射的波长不同。
在一个实施例中，本发明涉及方法，在该方法中，由第二光源所发出的并在光波导内反射的辐射光的传播时间和/或斯托克斯线与反斯托克斯线之比在测量装置中被确定，和/或由第一光源发出的并在光波导内以可预定的频谱范围被反射的辐射光的强度在测量装置内被确定。可预定的频谱范围可以由至少一个阵列式波导芯片的通道宽度被选择。
在一个实施例中，本发明涉及用于制造传感器元件的方法，该方法包括以下步骤：提供具有芯体以及包层的光波导，其中所述芯体的材料名义上未掺杂；通过用飞秒激光脉冲辐照光波导的预定的纵向区段制造具有可预定的晶格常数的多个光纤布拉格光栅。
在一个实施例中，本发明涉及方法，该方法还包括以下步骤：测量至少一个阵列式波导芯片的接收范围的边缘的波长；制造适于分别反射具有接收范围边缘波长的光的多个光纤布拉格光栅；将阵列式波导芯片连接至光波导。
在一个实施例中，本发明涉及风帆，该风帆包括如上所述的传感器元件。在一个实施例中，本发明涉及缆绳，所述缆绳至少包括如上所述的传感器元件。在一个实施例中，本发明可以涉及线或绳，所述线或绳包括至少一个如上所述的传感器元件。这种传感器元件通过层合或粘结或交织的方式可以安置在风帆或线或绳中。在绝缘体的挤出成型或注射成型的过程中，传感器元件可以安置在缆线中。在本发明的一些实施例中，确切地一个传感器元件可以布置在圆缆线的中央，从而产生圆柱形对称结构。
在一个实施例中，本发明涉及用于控制可操纵风筝或风帆的方法，在所述方法中，在可操纵风筝或风帆上作用的力被测量，并且诸如被单和/或牵索和/或桁梁和/或用于改变风帆或可操纵风筝的外形和/或位置的修整装置被自动地影响。
在一个实施例中，本发明涉及用于监测缆线连接的方法，在所述方法中，沿着缆线连接的机械载荷和/或温度利用传感器元件被测量。在本发明的一些实施例中，从所测量的数据可以计算出寿命预测。
附图说明
以下利用附图以及示意性实施例更加详细地说明本发明。在附图中：
图1示出了根据本发明的传感器元件以及能够获得这种传感器元件的方法；
图2示出了传感器元件的纵向横截面中的折射率曲线；
图3示出了传感器元件的反射与透射特性；
图4示出了多个传感器元件的信号读取器的示意图；
图5示出了信号读取器的操作模式；
图6示出了根据本发明的测量方法的步骤；
图7示出了作为传感器元件的示意性应用的由可操纵风筝所驱动的货船。
具体实施方式
图1示出了传感器元件，所述传感器元件包括光波导100。光波导100包括包层101以及在所述包层101内大致同心地布置的芯体102。出于杂光以及机械损害保护的原因，芯体101可以由保护套103包围。
保护套103可以例如由聚合物制成。保护套103可以利用挤压机或注射成型方法以已知的方式被施加到包层101上。包层101与芯体102同样可以由聚合物制成、具体地由视觉透明的聚合物制成。然而，芯体102和包层101通常由玻璃制成。玻璃可以大致由非结晶SiO2组成。包层101和芯体102所用的玻璃可以设有掺杂剂，从而包层101和芯体102具有不同的折射率。图1示出了包层101具有第一折射率n1，并且芯体102具有第二折射率n2。在包层101与芯体102之间可以是阶越式过渡。在本发明的其它实施例中，过渡可以是渐变过渡，从而折射率n2逐渐地转化为折射率n1。芯体102可以具有大致2μm至大致5μm的直径。
在本发明的一些实施例中，光波导100的芯体102名义上未掺杂。这并不排除芯体的材料中无法避免的污染物的存在。这样，光波导100还可以暴露于超过500℃、超过700℃或超过900℃的温度，而光波导100或者在光波导100内布置的光纤布拉格光栅110不会由于掺杂物的扩散而受到损害。在这种情况中，光波导100可以是用于光学信息传播的商业有售的光波导。
至少一个光纤布拉格光栅110引入到光波导100中。光纤布拉格光栅包括多个具有第三折射率n3的纵向区段115。第三折射率n3与芯体102的第二折射率n2不同。光纤布拉格光栅110具有晶格常数（latticeconstant）Λ。参照图3更加详细地说明光纤布拉格光栅110的作用模式。
为了制造光纤布拉格光栅110，飞秒激光器200在本发明的一个实施例中被采用。飞秒激光器200能够发出具有800nm中心波长的激光射线220。单个激光脉冲可以具有大约10fs至大约200fs的持续时间。在本发明的一些实施例中，激光射线220可以利用聚焦光学系统210被聚焦到大约0.5μm至大约2μm的束斑上。
包层201和芯体202以及光波导100的保护套103可以对于激光射线220名义上是透明的。因此，在一些实施例中，可以将激光射线220几乎没有损失地通过包层101和保护套103聚焦到芯体102中。由于激光脉冲220的短持续时间以及聚焦所造成的高场强度，所以在芯体102的材料中出现非线性效应，这种非线性效应导致了折射率改变至值n3。因为折射率的改变并非是基于纵向区段115中掺杂物的存在，所以甚至在光波导100温度增加时，纵向区段115中的折射率变化以及因此还有光纤布拉格光栅110的出现不会受到掺杂物扩散影响。根据本发明的传感器元件因而优异之处在于良好长期稳定性以及在高温使用的可行性。
图2再次示出了光波导100的芯体102内的折射率的分布。在纵坐标上绘制折射率n，并且在横坐标上绘制波导100的纵向长度。根据图2，波导100的芯体102在其整个未中断的长度中具有折射率n2。那些受到激光射线220影响的纵向区段表现出更高的折射率n3。由于激光射线220的良好聚焦能力，所以在纵向区段115中产生了大致箱形（box-shaped）折射率分布。在这种情况中，多个纵向区段115（它们一个在另一个之后地布置并且分别具有折射率n3）形成了光纤布拉格光栅110。在本说明书中，各纵向区段115之间的间距指派为晶格常数Λ。
图3示出了光波导100中光纤布拉格光栅110的作用模式。正如在此所示，纵坐标为光辐射强度或光输出P，横坐标为波长λ。图3A示出了能够由宽带光源所产生的光辐射强度分布。在一些实施例中，这种辐射可以具有1400nm至1700nm的中心波长。谱宽可以是在50nm与300nm之间。在图3A中所示的这种辐射被耦合到设有光纤布拉格光栅110的光波导100中。
图3B示出了光波导100输出处提供的光。在图3A中示出的耦合入的辐射明显未变化地传播。仅仅具有中心波长λb与大约0.1nm至大约2nm的谱宽的窄波长范围未由光波导100传播。谱宽与中心频率λb受到光纤布拉格光栅的晶格常数Λ与质量影响。
图3C示出了反射后的辐射，该反射后的辐射在光波导100的用于耦合入辐射的端部处被检测。图3C所示的光谱与传播的辐射的光谱互补，该传播的辐射的光谱在图3B中示出。因此，具有中心频率λb的辐射能够在光波导100的输入端被检测到。
在机械应力作用在光波导100上并且导致光波导伸展或压缩时，光纤布拉格光栅110的晶格常数Λ也发生变化。反射后的辐射的波长λb与之相应地发生变化。以同样的方式，反射后的辐射的波长λb也可以由于光波导100的热膨胀被影响。通过测量波长λb，波导100的在光纤布拉格光栅110处的变形因而能够被确定。
图4示出了用于多个传感器元件的信号读取器的一个实施例。图4例如示出了四个光波导100a、100b、100c和100d。在本发明的其它实施例中，光波导100的数量当然还可以是更多或更少。在本发明的一些实施例中，光波导100的数量的范围可以是从1至200或者从5至50。
每个光波导100设有多个光纤布拉格光栅110。在所示的示意性实施例中，每个光波导100具有五个光纤布拉格光栅110。在本发明的其它实施例中，光纤布拉格光栅110的数量可以是更多或更少。该数量的范围大体上是从1至大约50。在一些实施例中，两个相邻的光纤布拉格光栅110之间的间距超过10cm。单个光纤布拉格光栅的纵向长度的范围可以是在4mm与大约10mm之间。
在本发明的一些实施例中，单个光波导100的不同的光纤布拉格光栅具有不同的晶格常数。不同的光波导、例如光波导100a和100b的光纤布拉格光栅110可以具有相同的晶格常数。各个光波导100a、100b、100c和100d可以具有不同数量的光纤布拉格光栅110和/或光纤布拉格光栅110可以具有彼此之间不同的间距。
光波导100分别沿一机械结构500延伸，其中所述机械结构的变形和/或载荷和/或温度将被确定。例如，机械结构500可以包括电缆。电缆可以是地下电缆或海底电缆，例如，借助于所述电缆，能源生产者与能源消耗者连接至公共电网。能源生产者可以是电厂、风力发电设施或光电设施。
电缆还可以用于将移动能量消耗者连接至公共电网，例如后者与集装箱起重系统或掘土机相连。在这些情况中，光波导100可以不仅用于现场检测由于局部温度升高造成的增加的电阻，还可以用于检测事先存在的损害。光波导100还可以用于检测电缆的由于扭转或扭结所造成的机械变形，并且基于所检测到的变形周期而建立寿命预期，从而电缆恰好在失效之前的时间能够被替换。所连接的电器的停工期因而可以被最小化。
在本发明的一些实施例中，可以将个别光波导100与光源和评价单元相连。这样，可以出现光波导的特别高的询问频率以及因而时间密分的监测。在本发明的其它实施例中，多个光波导100a、100b、100c和100d可以分别利用相关的连接波导150连接至复用器40。连接波导150可以一体地连接至用作为传感器元件的光波导100。
复用器40将光波导100a、100b、100c和100d与至少一个光源60和至少一个评价单元30和/或50环接，从而传感器元件被循环地读取，并且所获得的数据能够被可视化或被存储。
在所示的示意性实施例中，复用器40具有供应波导，来自光源60的光经由所述供应波导能够被引导至相应的起作用的光波导100。光源60例如可以提供根据图3A的光谱。为此目的，光源60可以包括超发光二极管。
在本发明的其它实施例中，光源60可以发出脉冲激光束，其例如具有大约1μm至大约0.5μm的波长以及大约0.5ns至大约5ns的脉冲持续时间。为此目的，光源60可以包括短脉冲激光器，例如Q开关微片激光器。
在本发明的一些实施例中，光源60包括第一光源601，其提供宽频带辐射。在这种情况中，第一光源601可以是脉冲光源或者连续波源。光源60还包括第二光源602，其发出脉冲式窄频带的辐射。在一些实施例中，由第二光源602发出的光具有与由第一光源601发出的光不同的波长。
来自光源60的光传输经过光波导100，其中所述光波导经由复用器40连接至光源。在不同的光纤布拉格光栅110处，来自第一光源601的一个预指定的频谱范围的光被反射，而光的其余成分继续传输经过光波导100。来自第二光源602的光以沿着光波导100的Raman散射的方式被散射，并且经由供应波导150以及复用器40沿入射方向至少部分地被折回。
光波导100的反射出或散射出的光经由节点180进入两个检测装置30和50中。可选地，干涉耦合器能够在节点180处设置，从而将输入的光分入到两个光波导310和510中。在其它实施例中，在节点180处可以设置简易光谱仪，其中所述简易光谱仪将第一波长范围的光耦合到波导310中并将第二波长范围的光耦合到波导510中。
由第一光源601发出的且由光纤布拉格光栅110反射的光可以利用平面光学滤波器元件被检测。
在本发明的一些实施例中，平面光学滤波器元件可以由具有与波导100大致相同折射率的材料制成。信号的不相配因而可以被减少，并且传感器元件的测量精度可以增加。
在根据图4的实施例中，平面光学滤波器元件由至少一个阵列式波导芯片30形成。阵列式波导芯片具有供应波导310，其中所述供应波导用于将光的反射后的分量供应至耦合器320。在耦合器320中，所供应的信号自由地传播。耦合器320的相反端与多个光波导330连接，每个光波导提取一部分光信号。由于光波导330的不同长度，所以输入信号之间的相移在干涉耦合器340的输入端出现。
最终，在干涉耦合器340中，信号彼此相互干涉。因此，在供应波导310中传播的信号的波长差被映像到耦合器340的输出端的空间差异中。
在耦合器340的输出端处设置光电二极管阵列350，所述光电二极管阵列允许实现光信号的空间分辨测量。基于在光电二极管阵列350中确定的空间，经由供应波导310所接收的信号的波长能够被确定，并且从该波长，能够确定反射信号的相应的光纤布拉格光栅110。如果光纤布拉格光栅110由于机械应力而导致长度变化，则长度变化以及间接地因而作用力可以基于所测量的波长被确定。
在一些实施例中，阵列式光栅30能够被制造为一微片，在该微片中，光学元件320、330和340已经利用传统的平版印刷技术被制造在聚合物中，并且光电二极管阵列350被构造为集成式磷化铟二极管线（indiumphosphidediodeline）。光学部件以及二极管线然后可以被集成在基板上或者至少集成在电路载体或壳体中。以这样方式，信号读取的成本节约与可靠的结构是可行的。
参照图5再次更加详细地说明阵列式波导芯片30的起作用模式。这里，附图也在纵坐标上示出光输出或密度，在横坐标上示出波长。图5A示出了五条线的线光谱。每条线具有不同的中心频率λb，正如以上结合图3C所述。由于图5的不同的比例，与图3相比，在图5A中看不到谱宽，而这与图3C正好相反。在图5A中示出的每条线由具有相应不同的晶格常数的光纤布拉格光栅110反射。在光波导100的相应纵向区段的长度发生变化的情况中，相关最大反射的波长根据晶格常数的变化而移位。这种作为外部测量变量的函数的移位在每条线中借助于双箭头表示。
图5B再次示出了图5A的线光谱。另外，图5B示出了阵列式波导芯片30的光电二极管阵列350的接收范围（acceptancerange）35。图5B示出了五个接收范围35，对应于具有五个光电二极管的二极管阵列350。在本发明的其它实施例中，阵列式波导光栅30可以具有二极管阵列350，该二极管阵列具有更多或更少数量的二极管。光纤布拉格光栅110的晶格常数被选择成，未受干扰的光波导100或未受干扰的光纤布拉格光栅110的反射最大值位于相应的光电二极管的接收曲线（acceptancecurve）35之间。这样，在二极管阵列350的未受干扰的光波导100中检测不到信号或者仅仅检测到少量信号。
如果光纤布拉格光栅的晶格常数由于外部影响而变化，则相应的线的位置在根据图5B的光谱中移位。这样，线可以进入二极管阵列350的二极管的接收范围35内。因此，相应的二极管的对应信号输出。如图5C所示，这种形式的信号读取导致了二极管阵列350的输出端的变化的幅度。因而，通过传感器元件产生的波长调制被转化为幅度调制。图5C中所示的信号然后可以利用模拟和/或数字化信号处理过程被进一步处理、可视化并且以已知的方式被存储。
在本发明的另一实施例中，光纤布拉格光栅的晶格常数当然还可以被选择成，由未受干扰的光波导所反射的信号位于接收范围35的最大处。在这种情况中，晶格常数的变化产生了与此相关的二极管的信号的衰减。在本发明的其它实施例中，其它滤波元件可以被采用，在所述其它滤波元件的接收曲线内具有棱边。
如果单个阵列式波导光栅30的通道的数量不足以读取单个光波导100的所有光纤布拉格光栅110，则信号可以基于其传播时间被附加地辨别出。在本发明的其它实施例中，耦合器可以在供应波导310中布置，所述耦合器将输入的信号分入多个阵列式波导光栅30中，其中每个阵列式波导光栅覆盖不同的接收范围35。
由第二光源602发出的并通过Raman散射被折回的光在节点180处被耦合到测量装置50中。测量装置50包括确定斯托克斯线的强度以及反斯托克斯线的强度的装置501。可以通过测量的幅度确定这两个强度之比。由此，温度可以具有大致1K精度地被确定。
此外，装置50可以包括用于测量信号传播时间的装置502。为此目的，装置502接收来自光源602的触发信号，该触发信号标记光脉冲发出的时间，并且确定反散射辐射到达时的时间差。基于信号传播时间，散射点距光源602的距离可以在装置502中被确定。在本发明的一些实施例中，空间确定的精度可以是大约5cm至大约50cm。如果可选的装置502存在的话，则装置50因而能够以空间分辨的方式确定沿着机械结构500的温度。如果这种取决于空间的温度测量不存在的话或者不必要的话，则装置501可以用于测量光波导100的平均温度。来自装置50的温度测量值可以用于校正在阵列式波导光栅30中所测量的值。光波导100的热学长度变化因而可以与由于机械应力造成的长度变化相区别。负载测量的精度因而增加。
在一些实施例中，装置502可以附加地被用于测量由第二光源602发出的辐射的强度的时域分布。利用强度的时域分布的测量值，温度测量的空间分辨率可以进一步提高。
在一些实施例中，复用器40和/或测量装置50和/或阵列式波导光栅30和/或光源60可以借助于光纤耦合相连。制造的代价因而减少，并且结构的可靠性因而提高。
参照图6以下更加详细地说明根据本发明的测量方法。在方法步骤51中，辐射由第一光源601被耦合到波导100。在这种情况中，由第一光源601发出的光可以是脉冲的或连续的。光被设置成在光纤布拉格光栅110上被反射。
同时，在方法步骤52中，自第二光源602被脉冲化的辐射被连续地发出，其中所述脉冲化的辐射具有大约0.5ns至大约5ns的脉冲持续时间以及10kHz与1MHz之间的重复率。在该方法的其它实施例中，方法步骤51和52也可以依次地进行。
耦合入的电磁辐射沿着光波导100传播。在方法步骤53中，在方法步骤51中被耦合入的电磁辐射在至少一个光纤布拉格光栅110上被至少部分地反射。与此独立地，在方法步骤53中，在方法步骤52中被耦合入的电磁辐射同样通过Raman散射的方式被散射并且至少部分地传回至波导100的用于耦合入辐射的端部。
在方法步骤54中，后散射光传至节点180，并在那里分入到两个接收装置30和50中。在方法步骤55中，在光纤布拉格光栅110上反射的光的信号处理然后利用阵列式波导芯片30实现。在方法步骤55结束时，可以获得在随后的步骤57中被进一步处理的电信号。
在步骤56中，与方法步骤55并行地或与之顺序进行地，Raman散射后的光信号在装置50中被处理。在这种情况中，装置50通过斯托克斯线与反斯托克斯线的光强度之比可以实现传播时间测量和/或确定散射部位处的温度。
在随后的方法步骤57中，电信号可以利用模拟或数字化电子系统被进一步处理。例如，信号可以进行放大或A/D转换。可选地，所接收到的信号可以被可视化或者被存储在数据库中。在方法步骤57中，同样可以设置成在方法步骤55中所接收的数据由来自方法步骤56的温度值校正。
方法步骤57之后可以是可选的步骤58。在方法步骤58中，影响测量变量的开环控制信号和/或闭环控制信号可以自所接收的测量值通过与预先规定的标称值对比而产生。此后，该方法可以再次重新开始，从而控制剩余的偏差或者控制动作对测量变量的影响。
图7示出了根据本发明的传感器元件的另一示意性应用。图7示出了货船550。货船利用柴油机以及螺旋推进器以已知的方式被推进。另外，货船550在船头具有用于可操纵风筝560的连接设备。可操纵风筝560可以被用于为货船550产生附加的驱动力，只要货船在具有船尾风的区域内行进的话。这样，风力可以用于节省燃料。
可操纵风筝560利用连接缆绳580连接至货船550的船头。控制装置590位于连接缆绳580的端部上。可操纵风筝560的外形可以通过控制装置590利用控制线570释放或拖拉被影响。对应的控制指令可以通过货船550内出现的控制计算机产生或者人工地由船驾驶室的操作者产生。
根据本发明，现在提出为控制缆绳570至少部分地配备有传感器元件100a和/或至少一个传感器元件100b通过交织或层合的方式被引入到可操纵风筝560的表面区域中和/或连接线580装备有根据本发明的传感器元件。这样，根据本发明的传感器元件可以用于测量控制缆绳570或连接线580中出现的力。利用引入到可操纵风筝560的表面区域中的传感器元件100b，可以间接地确定影响所提供的驱动能力的可操纵风筝的外形。
为了使得驱动力以及因而速度优化和/或为了货船550的燃料节省，现在利用计算机模拟可以计算流模拟中可操纵风筝560的最佳外形。在这种情况中，这种模拟可以将浪高、风速、主风向和/或当前行进速度考虑为输入变量。随后，可操纵风筝560的实际外形可以借助于传感器元件100b的变形被高精度地确定。通过借助于利用控制线570释放或拖拉而整理可操纵风筝560，可操纵风筝560的实际外形可以与所期望的标称外形匹配。在连接缆绳580中和/或在控制缆绳570中设置的传感器元件100a在这种情况中可以对不容许的力峰值发出警报，并且在增大风的情况中允许在适当的时间降低可操纵风筝560。
如果可操纵风筝560由编织纺织品材料制成，则传感器元件100b能够作为经线和/或作为纬线以可预订的间隔被交织到可操纵风筝560的表面区域中。如果可操纵风筝560的织物通过固化合成树脂被强化的话，则传感器元件100b可以整个长度粘合到纺织品上或者嵌入在树脂层中。在本发明的其它实施例中，可操纵风筝560的织物可以由两个膜片组成。膜片可以包括双向拉伸聚酯薄膜。在其它实施例中，膜片可以由经受伸展方法的聚对苯二甲酸乙二醇酯构成。膜片可以在其整个区域上被彼此层合。承载纤维可以在膜片之间布置，例如碳纤维、芳族聚酰胺纤维或牛血清白蛋白纤维。至少一个所提出的传感器元件能够被引入承载光纤之间的叠层中。
以上述参照图7的可操纵风筝所述的同样方式，其它形式的风帆也可以装备有传感器元件，从而通过调整装置影响它们的外形，以使得尽可能少偏差地获得规定的理想外形。这种传统的风帆例如包括前帆，如前桅的大帆、艏三角帆或迎风三角帆、大三角帆、不匀称的大三角帆、主帆或后桅帆。
通过在桅杆和梁翼上或内引入或施加所提出的传感器元件，桅杆和梁翼的偏转曲线也可以被精确地控制。这允许桅杆控制器、船的横桅索或后拉索的精确设定。
在本发明的一些实施例中，所提出的传感器元件可以被引入到纤维强化的塑料制成的部件中。此类部件可以包括船壳、尾翅、舵叶、龙骨或在此未详细提及的船的其它部件。在其它实施例中，所述部件可以是飞行器部件或者风力发电设施的转子叶片。另外，纤维强化的塑料除了承载纤维以外还可以包括固化树脂或者热塑性塑料。树脂可以是聚酯或环氧化物。承载纤维可以包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳族聚酸胺纤维或者由玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳族聚酸胺纤维组成。至少一个传感器元件可以作为玻璃纤维直接与承载纤维一起被层合到部件中或者借助于粘合或夹持的方式连接至部件。
利用传感器所获得的关于温度和/或作用力和/或变形的测量值可以在用于改进纤维强化塑料制成的部件的结构开发中采用，从而获得具有较低重量和/或较大承载能力的部件。在其它实施例中，测量值可以用于结构健康监测，从而连续获得关于部件的功能的表征。诸如撕裂或变形的损害因而可以容易地被检测，从而在工具失效出现之前采取补救措施。另外，安全临界结构的预防性更换可以被避免并且因而停工期以及维护费用可以减少。
本发明当然并不限于附图中所示的实施例。上述说明因此不应当认为是限制性的而是示意性的。权利要求书应被理解为所提及的特征在本发明的至少一个实施例中出现。这并不排除其它特征的出现。在权利要求书限定了“第一”和“第二”特征时，这种称谓用于在两个相似的结构之间进行区分，而没有限定等级。

Claims (15)

1.一种用于获取机械状态变量的传感器元件，其包括
至少一个光波导(100)，所述光波导包含多个光纤布拉格光栅(110)，多个光纤布拉格光栅(110)中的每个光纤布拉格光栅(110)具有不同的晶格常数(Λ)；
至少一个平面光学滤波器元件(30)，从所述光波导(100)发出的光能够被供至所述平面光学滤波器元件；
至少一个测量装置(50)，所述测量装置适于确定已经由相应的光纤布拉格光栅(110)反射的光信号的斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述平面光学滤波器元件(30)所包括的折射率大致对应于所述光波导(100)的折射率(n2)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，所述传感器元件还包括至少一第一光源(601)以及至少一第二光源(602)，这些光源适于将光耦合到所述至少一个光波导(100)中。
4.根据权利要求3所述的传感器元件，其特征在于，所述第一光源(601)包括至少一个超发光二极管和/或所述第二光源(602)包括短脉冲激光器。
5.根据权利要求3所述的传感器元件，其特征在于，所述第一光源(601)适于发出具有第一波长的光，并且所述第二光源(602)适于发出具有第二波长的光，其中所述第二波长与所述第一波长不同。
6.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个平面光学滤波器元件(30)包括阵列式波导光栅(30)和/或MachZehnder干涉仪和/或延迟线干涉仪和/或定向耦合器。
7.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，在未受干扰的光纤布拉格光栅(110)上反射的波长大致位于平面光学滤波器元件(30)的相应通道的接收曲线(35)之间。
8.根据权利要求1或2所述的传感器元件，所述传感器元件还包括复用器(40)，所述复用器适于将多个光波导(100a、100b、100c、100d)依次与至少一个光源和/或至少一个平面光学滤波器元件(30)相连。
9.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，所述传感器元件还包括节点(180)，其中所述节点适于将从所述光波导(100)发出的光供至所述平面光学滤波器元件(30)和所述测量装置(50)。
10.一种用于获取机械状态变量的方法，其包括以下步骤：
使得至少一个光波导(100)沿着测量区段延伸，所述光波导包括多个光纤布拉格光栅(110)，每个光纤布拉格光栅具有不同的晶格常数；
使得具有至少一个能够预定的中心波长以及能够预定的谱宽的光耦合到所述光波导(100)中；并且
使得在所述光波导(100)内反射和/或散射的光供到至少两个测量装置(30、50)，所述至少两个测量装置中的第一测量装置(30)确定从所述光波导(100)以选择的频谱范围发出的光的强度，并且所述至少两个测量装置中的第二测量装置(50)确定光信号的斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，来自第一光源(601)的频谱宽带辐射以及来自第二光源(602)的脉冲式频谱窄带辐射被耦合至所述光波导(100)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源以脉冲的方式操作，脉冲与暂停时间彼此相配，以使得第一光源在第二光源的暂停时间操作，并且第二光源在第一光源的暂停时间操作。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一光源发出具有第一波长的光，所述第二光源发出具有第二波长的光，所述第二波长与所述第一波长不同。
14.一种机械结构(500)，所述机械结构包括根据权利要求1至9任一所述的传感器元件。
15.根据权利要求14所述的机械结构，其特征在于，所述机械结构是缆线或风帆或用于风帆的致动元件。
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