專利名稱：光學(xué)應(yīng)變計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述的光學(xué)應(yīng)變計，以及一 種根據(jù)權(quán)利要求11前序部分所述的用于制造該光學(xué)應(yīng)變計的方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)應(yīng)變計以各種形式為人所知并且主要由薄膜狀的載體層組成或者 注塑在這樣的載體層中。這些載體層包括底層，光波導(dǎo)固定在該底層上， 該光波導(dǎo)包含具有光纖布拉格光柵的區(qū)段。饋送到光波導(dǎo)中的、具有一定 波長的相干光束通過這樣的光纖布拉格光柵反射并且能夠作為反射峰被檢 測到。如果這樣的光學(xué)應(yīng)變計被應(yīng)用在變形體上，則反射峰的波長由于應(yīng) 變而與該應(yīng)變成比例地變化。因此，這樣的光學(xué)應(yīng)變計可以與具有電阻柵 的電學(xué)應(yīng)變計類似地被應(yīng)用并且能夠用于檢測不同的物理量。
在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這樣的反射峰由于正交于光纖方向的機(jī)械應(yīng)力或者由 于橫向指向的應(yīng)變場而具有多個反射峰值或者一個在寬度上顯著增大的峰 值，該峰值在常見的分析計算裝置中不能精確地用一個單一的波長進(jìn)行解 算。
這樣的用于測量機(jī)械應(yīng)力的光學(xué)應(yīng)變計在EP 1 129 327B1中公開。在 此涉及一種光學(xué)應(yīng)變計，該光學(xué)應(yīng)變計構(gòu)造為光纖瓣狀體。該光學(xué)應(yīng)變計 在此由構(gòu)造為剛性平板的載體材料制成，在該載體材料上粘貼有一個光波 導(dǎo)，該光波導(dǎo)具有三個各具有一個光纖布拉格光柵的區(qū)段，該光波導(dǎo)通過 一個另外的粘貼的平板覆蓋。在一種另外的實(shí)施形式中，所述光波導(dǎo)包封 在由固化的環(huán)氧樹脂制成的硬的載體材料中。為了測量應(yīng)變，光學(xué)應(yīng)變計 以其片狀的或者由環(huán)氧樹脂層組成的底層粘貼到變形體或者應(yīng)變體上，該 變形體或者應(yīng)變體的應(yīng)變需要檢測。為了進(jìn)行粘貼，光學(xué)應(yīng)變計必須以其 底層牢固地壓合到變形體或者應(yīng)變體上，由此已經(jīng)在剛性的環(huán)氧樹脂層或 者板中引入強(qiáng)烈的橫向力。由于與光纖布拉格光柵剛性地連接，所以會在 光纖布拉格光柵中留下持久的殘余應(yīng)力，所述殘余應(yīng)力通常導(dǎo)致反射峰的強(qiáng)烈加寬。但是，這樣的光學(xué)應(yīng)變計也能夠以其包封在環(huán)氧樹脂中的光纖 布拉格光柵或者粘接在兩塊硬的板之間的光纖布拉格光柵牢固地插入到碳 素纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料或者水泥材料中來獲取應(yīng)變，由此也會在固化過程 中在光纖布拉格光柵中局部地引入持久的橫向力。這通常在光纖布拉格光 柵中引起干擾，所述干擾導(dǎo)致具有一個或多個峰值的反射峰強(qiáng)烈地加寬， 從而很難以足夠的精度來檢測這些反射峰的反射波長。
但是，DE 196 48 403 Cl公開了一種用于檢測測量的、具有集成的光纖 布拉格光柵的光學(xué)傳感器，在該傳感器的光纖布拉格光柵中不會引入能夠 使反射峰加寬的橫向力。這種傳感器指的是一種力傳感器，通過該力傳感 器不僅可檢測拉伸力而且可檢測壓縮力。因此，光波導(dǎo)以其光纖布拉格光 柵設(shè)置在兩個間隔開的夾緊元件之間，這些夾緊元件通過一個壓力彈簧和 一個應(yīng)變體相對于彼此在拉伸方向預(yù)張緊。在此，光波導(dǎo)以其光纖布拉格 光柵區(qū)段設(shè)置在管狀的應(yīng)變體中并且僅僅力鎖合地固定在夾緊元件上。在 光纖布拉格光柵的區(qū)域中，在應(yīng)變體和具有光纖布拉格光柵的光波導(dǎo)區(qū)段 之間的中空室中顯然設(shè)置有軟的填充材料。為了力的測量，力在這兩個夾 緊元件中變成拉伸力和壓縮力，由此能夠使具有光纖布拉格光柵的光波導(dǎo) 膨脹和壓縮，進(jìn)而與引入的力成比例地在兩個方向上改變光波導(dǎo)的反射波 長。由于光纖布拉格光柵區(qū)段的安裝受到保護(hù)，反射峰保持得相對窄，從 而能夠精確地檢測到波長的變化。但是，這樣的管狀傳感元件具有為此設(shè) 置的用于引入力的矩形夾緊元件，其在體積上非常大并且在制造上非常費(fèi) 勁。此外，這樣的傳感元件也很難固定在待檢測的可膨脹的表面上。此外， 由于預(yù)應(yīng)力而已經(jīng)在拉伸方向上失去了一部分應(yīng)變測量范圍，因而不再能 夠檢測較大的應(yīng)變作用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)應(yīng)變計，該光學(xué)應(yīng)變計具有緊湊 的扁平的結(jié)構(gòu)并且通過該光學(xué)應(yīng)變計能夠無預(yù)應(yīng)力地且精確地檢測待獲取 的應(yīng)變。
該目的通過在權(quán)利要求1和11中給出的發(fā)明解決。本發(fā)明的改進(jìn)方案 和有利的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中給出。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)通過兩個在光纖布拉格光柵區(qū)段以外的扁平的
5固定元件在該光纖布拉格光柵中均勻地引入縱向上的張力。在此，通過這 些力鎖合的固定元件排除了在布拉格光柵區(qū)段中引入其他的力，從而反射 波長產(chǎn)生單一的反射峰，該反射峰使得對反射波長的精確檢測成為可能， 由此也使得精確的應(yīng)變檢測成為可能。
本發(fā)明同時具有以下優(yōu)點(diǎn)通過光纖布拉格光柵區(qū)段的相對軟的彈性 包覆不但在縱向上而且在橫向上固定了該光纖布拉格光柵，但是使殘余的 材料應(yīng)力或者橫向力保持遠(yuǎn)離用于測量應(yīng)變的光纖布拉格光柵區(qū)段。由此 同時保護(hù)光波導(dǎo)的測量區(qū)域免受機(jī)械損壞和殘余變形。此外，光纖布拉格 光柵區(qū)段的具有相對軟的彈性塑料的包覆具有以下優(yōu)點(diǎn)通過無預(yù)應(yīng)力的 固定因而也能測量壓縮，而無須將光波導(dǎo)固定在硬質(zhì)的側(cè)面導(dǎo)向件上。
本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)這樣的具有無預(yù)應(yīng)力地固定的光纖布拉格光 柵區(qū)段的光學(xué)應(yīng)變計可以用于應(yīng)變測量的整個拉伸測量范圍，該拉伸測量 范圍顯著地大于常規(guī)的電學(xué)應(yīng)變計的拉伸測量范圍，另外沒有拉伸測量損 失并且也能夠檢測壓縮。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)在于由于光波導(dǎo)與兩種不同的塑料材料粘接， 故光學(xué)應(yīng)變計的制造簡單，與光波導(dǎo)完全與力鎖合的穩(wěn)固層粘接或者包覆 相比，光波導(dǎo)與兩種不同的塑料材料粘接并不是顯著更費(fèi)勁。


本發(fā)明借助在附圖中示出的實(shí)施例詳細(xì)闡述。附圖為 圖1以示意性剖視圖示出光學(xué)應(yīng)變計的側(cè)視圖；和 圖2以示意性剖視圖示出光學(xué)應(yīng)變計的正視圖。
具體實(shí)施例方式
在附圖的圖1中以側(cè)視圖示意性地示出一種光學(xué)應(yīng)變計，該光學(xué)應(yīng)變 計主要由底層1和覆蓋層7組成， 一個帶有光纖布拉格光柵6的光波導(dǎo)5 粘接在該底層1和覆蓋層7之間，其中，底層1和覆蓋層7包含兩個由相 對硬的且附著性好的塑料制成的扁平的固定元件3、 4，這兩個固定元件側(cè) 向地設(shè)置在光纖布拉格光柵區(qū)段10旁邊，并且在這兩個固定元件之間設(shè)有 相對軟的彈性的穩(wěn)固元件2。
所述光學(xué)應(yīng)變計涉及一種傳感元件，該傳感元件優(yōu)選應(yīng)用在對應(yīng)變敏感的變形體9上，該變形體的應(yīng)變應(yīng)當(dāng)被檢測。在此可以涉及例如力傳感
器的變形體9(該變形體優(yōu)選由鋁制成)或者涉及例如飛機(jī)機(jī)身的對應(yīng)力敏 感的部分，這部分的應(yīng)變應(yīng)當(dāng)被直接獲得。因此，在這里指定一種由鋁制 成的變形體9，光學(xué)應(yīng)變計被應(yīng)用在該變形體9上。但是，由其他材料制成 的變形體9或?qū)?yīng)變敏感的構(gòu)件也是可想到的，尤其可以想到將這樣的光 學(xué)應(yīng)變計集成在光纖復(fù)合材料中或者應(yīng)用在光纖復(fù)合材料上。
在指定的由鋁制成的變形體9中，光學(xué)應(yīng)變計借助未示出的塑料粘接 劑直接粘貼，該塑料粘接劑也應(yīng)用在電學(xué)應(yīng)變計中。光波導(dǎo)5被構(gòu)造為線 性的，被設(shè)置在底層l上，并且通過專門的制造工藝使光波導(dǎo)5約一半進(jìn) 入到該底層1中。該底層1在此包括兩個位于側(cè)面的扁平的下固定帶11， 這些下固定帶設(shè)置在布拉格光柵區(qū)段10的左側(cè)旁和右側(cè)旁。在所述下固定 帶11之間設(shè)置有作為底層1的一部分的下穩(wěn)固層2，該下穩(wěn)固層2至少朝 向底層1填充光波導(dǎo)5的光纖布拉格光柵區(qū)段10。所述固定帶11指的是載 體薄膜，正如其在電學(xué)應(yīng)變計中常見的那樣，這些載體薄膜在此優(yōu)選由一 疊例如四個浸透酚醛樹脂(phenolharzgetrankten)的單個玻璃纖維板組成， 這些玻璃纖維板構(gòu)成用于光波導(dǎo)5的固定元件3、 4。固定元件3、 4指的是 相對硬的經(jīng)固化的塑料，所述塑料通過以下方式產(chǎn)生在壓力下將浸透酚 醛樹脂的玻璃纖維板加熱到約165 ° ，由此使這些玻璃纖維板相互粘接并 且在接下來的冷卻過程中固化。在此，在壓力下的加熱應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)臅r 間以便形成交聯(lián)，優(yōu)選保持三個小時。
而底層1的設(shè)置在這些固定元件3、 4之間的扁平的穩(wěn)固層2由相對軟 的彈性塑料組成，所述彈性塑料同樣通過在壓力作用下的加熱來發(fā)揮其粘 接力。優(yōu)選地，為此使用薄膜狀的丙烯酸酯粘接帶，所述丙烯酸酯粘接帶 也以杜邦公司的"Pyralux "商標(biāo)的名義銷售。通過兩個固定元件3、 4之 間的粘接帶，在固化后形成光波導(dǎo)5及其光纖布拉格光柵區(qū)段10在變形體 9上的形狀鎖合的固定，該形狀鎖合的固定不會在光纖布拉格光柵6中引入 橫向力和機(jī)械應(yīng)力。由這兩個側(cè)面的固定帶11和設(shè)置在這些固定帶之間的 穩(wěn)固層2組成的底層1在各處具有約0.2至0.25mm的相同高度并且優(yōu)選長 30至40mm。在此，光波導(dǎo)5也有一半在約90pm的高度上被穩(wěn)固層2包 圍并且與該穩(wěn)固層牢固地粘接。
從附圖的圖2可看到光波導(dǎo)5在底層1和覆蓋層7之間的布置的細(xì)節(jié)。在此，該光學(xué)應(yīng)變計例如具有優(yōu)選約5-10mm的總寬度，該總寬度足夠很 好地包圍約180pm厚的光波導(dǎo)5并且同時保證在變形體9上的牢固應(yīng)用。
附加地，在底層1的上方且在光波導(dǎo)5上面還設(shè)置有覆蓋層7的扁平 層，該覆蓋層7同樣在右側(cè)和左側(cè)具有由固定帶制成的硬的、附著性好的 層，這些層與下固定帶11和光波導(dǎo)5形成力鎖合的連接并且分別構(gòu)成一個 固定元件3、 4。在此，這兩個上固定帶11也優(yōu)選由浸透酚醛樹脂的玻璃纖 維帶構(gòu)造，這些上固定帶11力鎖合地包圍除光纖布拉格光柵區(qū)段10之外 的光波導(dǎo)5的一半。通過這樣構(gòu)造的固定元件3、 4僅僅沿著光纖縱向?qū)?yīng) 變力引入到光波導(dǎo)5或者說光波導(dǎo)5的光纖布拉格光柵6中。為了與光波 導(dǎo)5固定，兩個浸透酚醛樹脂的玻璃纖維帶11在壓力下被短時間地加熱到 165°并且緩慢冷卻以便固化。由此形成與光波導(dǎo)5的硬的力鎖合的連接， 該連接僅僅具有非常小的蠕變特性。
在覆蓋層7上面也有一個上穩(wěn)固層2設(shè)置在兩個側(cè)面的上固定帶11之 間，該上穩(wěn)固層2由軟的彈性的塑料粘接劑、優(yōu)選由丙烯酸酯粘接劑制成， 該上固定層同樣覆蓋光波導(dǎo)5的一半，尤其是也覆蓋帶有光纖布拉格光柵6 的區(qū)段10的一半，并且由此與下穩(wěn)固層3完全圍合。在此，覆蓋層7和底 層1的兩個穩(wěn)固層2同樣通過在壓力作用下的加熱與光波導(dǎo)5粘接。因?yàn)?光學(xué)應(yīng)變計的由兩個穩(wěn)固層組成的中間部分作為穩(wěn)固元件2是相對軟的且 是彈性的，所以該中間部分僅僅使具有光纖布拉格光柵6的光波導(dǎo)區(qū)段10 在其縱向上和橫向上固定，其中，該中間部分是這么軟的和彈性的，使得 不會將橫向力和縱向力持久地引入到光纖布拉格光柵6中。因此，尤其是 防止了在裝配過程中或者在應(yīng)變過程期間持久地引入橫向力，通過該橫向 力可能改變反射峰的峰值的寬度。
與底層1類似，覆蓋層7的扁平的層以優(yōu)選0.2-0.25mm的高度設(shè)置， 通過該覆蓋層也能在中間區(qū)域中形狀鎖合地嵌合約180(am厚的光波導(dǎo)5。 因?yàn)楣潭◣?1和穩(wěn)固層2在縱向上僅僅彼此齊平地相鄰，所以在覆蓋層7 上總體還施加一個護(hù)層8，該護(hù)層8優(yōu)選也由軟的彈性的丙烯酸酯粘接劑粘 接層組成。
為了制造該光學(xué)應(yīng)變計，首先將底層1的固定元件3、 4的各個片狀的 帶11和穩(wěn)固元件2在縱向上相鄰地且在高度上重疊地放置在可加熱的壓板 上。然后在這上面對稱地設(shè)置線性的光波導(dǎo)5，并且以同樣的方式在這上面
8放置覆蓋層7的片狀的帶和層。為了縱向連接，隨后將共同的護(hù)層8設(shè)置
在應(yīng)變計的整個層結(jié)構(gòu)上面。該整個層結(jié)構(gòu)隨后被設(shè)置在兩個可加熱的壓
板之間且被加熱到約165°的溫度，并且允許該層結(jié)構(gòu)在一定的壓力下完全 緩慢地冷卻。由此形成在光波導(dǎo)5的端部區(qū)域上的牢固的力鎖合的連接以 及形成在中間區(qū)域和光纖布拉格光柵區(qū)段10中的軟的彈性連接。在此，通 過該相對軟的彈性的穩(wěn)固元件2已經(jīng)防止在制造過程中就有大的橫向力 被引入到布拉格光柵區(qū)域10中，該大的橫向力可能會導(dǎo)致光纖布拉格光柵 結(jié)構(gòu)發(fā)生持久的變化。因?yàn)橥ㄟ^光纖布拉格光柵6在穩(wěn)固元件2內(nèi)部的這 種布置，應(yīng)變力只能通過固定元件3、4沿縱向引入到光纖布拉格光柵6中， 所以如在對光纖布拉格光柵6預(yù)緊時的那樣形成一個具有清晰峰值的、單 一的窄反射峰，該反射峰的波長可被精確地檢測到。于是，首先由于在光 纖布拉格光柵的波長變化時的精確可檢測性，可獲得對變形體的應(yīng)變特性 的精確的測量信號。
但是，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)應(yīng)變計不一定要逐層地構(gòu)造，底層區(qū)域和覆 蓋層區(qū)域也可以作為統(tǒng)一的塑料層制造，光波導(dǎo)5被所述塑料層包覆注塑。 在此，僅僅需要使固定元件3、 4由附著性好的相對硬的材料制成，該材料 力鎖合地與兩個光波導(dǎo)端部連接，這兩個光波導(dǎo)端部與光纖布拉格光柵區(qū) 段10相接。在所述固定元件之間在中間部分中設(shè)置穩(wěn)固元件2，該穩(wěn)固元 件2也可以一體地注塑并且只需起固定該光纖布拉格光柵區(qū)段10的作用。 為此優(yōu)選的是還設(shè)置有彈性的軟的塑料材料。
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權(quán)利要求
1.一種光學(xué)應(yīng)變計，其包含至少一個光波導(dǎo)(5)，所述光波導(dǎo)(5)被固定在薄的底層(1)上并且所述光波導(dǎo)(5)具有至少一個帶有用于獲取應(yīng)變的光纖布拉格光柵(6)的區(qū)段(10)，其特征在于，所述光波導(dǎo)(5)在光纖布拉格光柵區(qū)段(10)以外在該光纖布拉格光柵區(qū)段(10)兩側(cè)通過兩個固定元件(3，4)覆蓋，所述光波導(dǎo)(5)通過所述固定元件(3，4)力鎖合地固定在其底層(1)上，并且，所述光波導(dǎo)(5)在側(cè)面的固定元件(3，4)之間被相對軟的彈性的穩(wěn)固元件(2)包圍，所述穩(wěn)固元件(2)至少將布拉格光柵區(qū)段(10)形狀鎖合地固定在其底層(1)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述光學(xué)應(yīng)變計 構(gòu)造為矩形的薄膜狀的物體，該物體具有作為底層(1)的扁平的薄層和作 為覆蓋層(7)的扁平的薄層，所述光波導(dǎo)(5)在縱向上線性地設(shè)置在這 些薄層之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述底層(l) 在所述光纖布拉格光柵(6)的區(qū)域中由扁平的薄的穩(wěn)固層(2)組成，在 縱向上在該穩(wěn)固層(2)兩側(cè)各設(shè)置有一個扁平的薄的下固定帶(11)，所 述光波導(dǎo)(5)以其光纖布拉格光柵(6)通過粘接連接固定在所述下固定 帶(11)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，在其上固定有光 波導(dǎo)(5)的底層(1)上粘貼有作為覆蓋層(7)的扁平的薄層，其中，具 有光纖布拉格光柵(6)的所述光波導(dǎo)(5)通過粘接連接至少形狀鎖合地 固定在底層(1)和覆蓋層(7)之間。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述 固定元件(3， 4)各包含至少兩個固定帶(11)，所述固定帶(11)相互間 并且與所述光波導(dǎo)(5)的端部在光纖布拉格光柵區(qū)段(10)以外形狀鎖合 地且力鎖合地粘接，其中，所述固定元件(3， 4)由相對硬的附著性好的塑料組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述固定元件(3， 4)由浸透酚醛樹脂的玻璃纖維塑料組成。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述 穩(wěn)固元件(2)包含至少兩個薄的穩(wěn)固層(2)，所述光波導(dǎo)(5)至少以其 光纖布拉格光柵區(qū)段(10)形狀鎖合地固定在這些穩(wěn)固層(2)之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述穩(wěn)固元件(2) 由相對軟的彈性的附著性好的塑料材料組成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，所述相對軟的彈 性的塑料材料由一個或多個薄膜狀的含丙烯酸酯的粘接層組成。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)應(yīng)變計，其特征在于，一 個扁平的薄膜狀的護(hù)層(8)固定在所述覆蓋層(7)上，所述護(hù)層(8)由 至少一個附著性好的含丙烯酸酯的粘接層組成。
11. 一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的光學(xué)應(yīng)變計的 方法，在該方法中，在一個底層(1)和一個覆蓋層(7)之間粘接一個具 有光纖布拉格光柵區(qū)段(10)的光波導(dǎo)(5)，其特征在于，在兩個可被加 熱的壓板之間首先放入一個扁平的穩(wěn)固層(2)，該穩(wěn)固層(2)在縱向上帶 有兩個貼靠的固定帶(11)，在所述固定帶(11)上縱向地放置一個光波導(dǎo)(5)，其中，以同類型的覆蓋層(7)覆蓋所述底層(1)，然后在預(yù)給定的 壓力下整體地加熱和固化這些層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在覆蓋層(7)上還 放置一個由薄膜狀的丙烯酸酯粘接劑制成的護(hù)層(8)，該護(hù)層(8)與底層(1)和覆蓋層(7)在預(yù)給定的壓力下被加熱和固化。
全文摘要
一種光學(xué)應(yīng)變計，其包含至少一個光波導(dǎo)(5)，所述光波導(dǎo)(5)被固定在薄的底層(1)上。在此，所述光波導(dǎo)(5)含有至少一個帶有用于獲取應(yīng)變的光纖布拉格光柵(6)的區(qū)段(10)。本發(fā)明的特征在于，所述光波導(dǎo)(5)在光纖布拉格光柵區(qū)段(10)以外在該光纖布拉格光柵區(qū)段(10)兩側(cè)通過兩個固定元件(3，4)覆蓋。因此，所述光波導(dǎo)(5)在光纖布拉格光柵區(qū)段(10)以外力鎖合地固定在其底層(1)上。在這兩個側(cè)面的固定元件(3，4)之間，相對軟的彈性的穩(wěn)固元件(2)包圍所述光波導(dǎo)(5)，所述穩(wěn)固元件(2)至少將布拉格光柵區(qū)段(10)形狀鎖合地固定在其底層(1)上。
文檔編號G01L1/24GK101675315SQ200880012635
公開日2010年3月17日 申請日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月19日
發(fā)明者M·克羅伊策, T·克萊克斯, T·基普 申請人:霍廷格-鮑德溫測量技術(shù)設(shè)備公司