DE102014012364A1

DE102014012364A1 - Inertia-free A / D converter for determining the density of gas and optical signal processing equipment

Info

Publication number: DE102014012364A1
Application number: DE102014012364.2A
Authority: DE
Inventors: Udo Wagner; Christian Drechsler
Original assignee: MICROTECH GEFELL GmbH
Current assignee: MICROTECH GEFELL GmbH
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-26
Also published as: DE102014012364B4

Abstract

Die bekannten Methoden zur Messung der Dichte bzw. Dichteschwankungen gasförmiger Medien besitzen die Nachteile, dass die Messungen jeweils rückwirkende Einflüsse auf das zu messende Medium ausüben und primär nur analoge Messergebnisse liefern.
Die Erfindung bietet zur Beseitigung dieser Nachteile Anordnungen, die über die Erfassung der Laufzeit von Laserlichtpulsen mittels optischer Detektoren direkt digitale optische Messsignale liefern. Eine hauptsächliche Verwendungsmöglichkeit dafür besteht bei der Schallwandlung.The known methods for measuring the density or density fluctuations of gaseous media have the disadvantages that the measurements each exert retroactive influences on the medium to be measured and primarily provide only analog measurement results.
To overcome these disadvantages, the invention provides arrangements which directly supply digital optical measuring signals by means of optical detectors via the detection of the transit time of laser light pulses. A main use for this is in the sound conversion.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Dichte bzw. Dichteschwankungen von Gasen mittels Laser, die ein digitales optisches oder elektrisches Ausgangssignal liefert, und Vorrichtungen zur Verarbeitung optischer Signale.The invention relates to an arrangement for determining the density or density variations of gases by means of laser, which provides a digital optical or electrical output signal, and devices for processing optical signals.

Es ist bekannt, die Dichte gasförmiger Medien über deren Druck zu bestimmen, den dieser z. B. auf eine Membran ausübt. Im Kondensatormikrofon dient die Membran als eine Elektrode des Kondensators, dessen Kapazitätsänderung elektrisch weiterverarbeitet wird. In anderer Anwendung wird die Membran jedoch auch als Reflektor verwendet, der durch seine Bewegung einen Lichtstrahl moduliert.It is known to determine the density of gaseous media on their pressure, this z. B. exerts on a membrane. In the condenser microphone, the membrane serves as one electrode of the capacitor whose capacity change is further processed electrically. In another application, however, the membrane is also used as a reflector, which modulates by its movement a light beam.

Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass jede Membran und das dazugehörige akustisch wirksame System durch die notwendige Größe einerseits einen in Form von Druckstau (z. B. in Mikrofonen) rückwirkenden Einfluss auf das gasförmige Medium ausübt und andererseits durch ihre Wirkung als trägheitsbehaftetes Feder-Masse-Dämpfer-System den Frequenzbereich für die Erfassung von Dichteschwankungen stark beeinflussen kann. Der gleiche Nachteil haftet im Prinzip auch den bekannten druckempfindlichen faseroptischen Sensoren an, die zur Messung die Änderung der Phasen des Lichts bei der Übertragung durch unter Druck verformbare Lichtleiterfasern nutzen.The disadvantage of these solutions is that each membrane and the associated acoustically effective system exert on the one hand a retroactive effect on the gaseous medium in the form of pressure jam (eg in microphones) due to the necessary size and, on the other hand, by virtue of its effect as a spring-loaded spring. Mass-damper system can greatly affect the frequency range for the detection of density variations. The same disadvantage is in principle also associated with the known pressure-sensitive fiber optic sensors, which use the change of the phases of the light during the transmission by pressure-deformable optical fiber fibers for the measurement.

Weiter ist bekannt, Dichteschwankungen gasförmiger Medien durch Hitzdrahtsonden zu bestimmen, bei denen durch unterschiedlichen Wärmetransport bei unterschiedlicher Gasdichte die Temperatur und damit der Ohmsche Widerstand eines durch Strom erhitzten Drahtes beeinflusst wird, wobei die dadurch bewirkte Veränderung des Stromflusses elektrisch erfasst werden kann.It is also known to determine density fluctuations of gaseous media by means of hot wire probes in which the temperature and thus the ohmic resistance of a wire heated by the current is influenced by different heat transfer at different gas density, wherein the change in the current flow caused thereby can be detected electrically.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Effekt bei wechselnden Gasdichten nur in einem eingeschränkten Frequenzbereich genutzt werden kann.The disadvantage of this solution is that the effect can be used with changing gas densities only in a limited frequency range.

Bekannt ist auch ein Lasermikrofon. Es besteht aus zwei planparallelen, durch Ab standshalter fixierten, teildurchlässigen Spiegeln, zwischen denen ein gepulster Laserstrahl mehrfach reflektiert wird. Der reflektierte Laserstrahl wird in seiner Intensität durch die Druckschwankungen des Schallfeldes zwischen den Spiegeln moduliert. Ein Vergleich der Intensität eines Referenzstrahles mit der des modulierten Laserstrahles macht den Schall bzw. Dichteschwankungen der Luft auf analoge Weise erfassbar. Nachteilig an dieser Anordnung ist das rein analoge Ausgangssignal.Also known is a laser microphone. It consists of two plane-parallel, fixed by Ab spacers, partially transparent mirrors, between which a pulsed laser beam is reflected several times. The reflected laser beam is modulated in its intensity by the pressure fluctuations of the sound field between the mirrors. A comparison of the intensity of a reference beam with that of the modulated laser beam makes the sound or density fluctuations of the air detectable in an analogous manner. A disadvantage of this arrangement is the purely analog output signal.

Bekannt ist darüber hinaus ein Mikrofon, das das zu messende Gas – in der Regel Luft – mit kleinsten Partikeln (zum Beispiel Wassernebel) versetzt. Ein hierdurch geleiteter Lichtstrahl wird durch die Druckwechsel im Gas deutlich moduliert und kann mit fotoelektrischen Mitteln weiterverarbeitet werden.Also known is a microphone that the gas to be measured - usually air - with the smallest particles (for example, water mist) is added. A light beam guided thereby is clearly modulated by the pressure changes in the gas and can be further processed with photoelectric means.

Der Nachteil aller vorgenannten Anordnungen ist das noch analoge Ausgangssignal. Selbst dort wo digitale Ausgangssignale – zum Beispiel bei Mikrofonen – erzeugt werden, liegt in der Anordnung davor ein analoger Schall- oder Druckwandler.The disadvantage of all the above arrangements is the still analog output signal. Even where digital output signals are generated - for example, with microphones - the arrangement in front of them contains an analogue sound or pressure transducer.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, die Dichte oder Dichteschwankungen jeglicher gasförmiger Medien durch eine Vorrichtung zu erfassen, die nicht selbst eine rückwirkende Beeinflussung des Zustandes des zu messenden Mediums verursacht und die nicht durch die Trägheit eines Feder-Masse-Dämpfer-Systems oder in sonstiger Weise in ihrem Wirkungsfrequenzbereich eingeschränkt wird. Dabei soll die Wandlung der Größe Gasdichte über eine Veränderung der Laufzeit von Laserlichtpulsen direkt in ein digitales optisches Signal erfolgen.The invention specified in claim 1 is based on the problem of detecting the density or density fluctuations of any gaseous media by a device which does not itself cause a retroactive influence on the state of the medium to be measured and not by the inertia of a spring-mass damper System or otherwise restricted in its frequency range of action. In this case, the conversion of the size of gas density over a change in the duration of laser light pulses to be made directly into a digital optical signal.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 formulierten Merkmale gelöst, nämlich

– einer Spiegelzelle, bestehend aus einer beidseitig strahlteilenden optischen Platte und aus Laserstrahlen sehr gut reflektierenden Spiegeln, die rechtwinklig zueinander und zur optischen Platte stehen, in deren Zwischenraum das zu messende Gas Zutritt hat, und die in diesem Bereich während einer Abtastperiode mehrfach von einem Laserwellenpuls durchlaufen wird, der die Anordnung danach wieder verlässt, wobei die Gesamtlänge von Puls einschließlich der folgenden Länge des Zwischenraumes bis zum nächsten Puls kürzer als die geometrische Länge eines einmaligen Umlaufs in der Spiegelzelle sein muss,
– wobei zugleich der Abstand des Nachfolgepulses durch das Tastverhältnis so zu wählen ist, dass der vorausgegangene Puls in der Anordnung bereits auf eine Intensität unterhalb seiner Messschwellengrenze gefallen ist, bevor der Folgepuls ausgelöst wird,
– die Bestimmung der Laufzeit, nicht der Intensität, des Laserwellenpulses, die von der momentanen Gasdichte beeinflusst wird, mittels einer Laserstrahl-Detektoreinheit,
– durch den Vergleich von zwei Ausgangssignalen dieser Detektoreinheit, wobei ein Signal das Tastverhältnis der Abtastfrequenz (die den Laserpuls ein- und ausschaltet) wiedergibt, während der andere Teil der Detektoreinheit ein verändertes Tastverhältnis registriert, das sich aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit des Laserwellenpulses im gasförmigen Medium ergibt. Dabei erfolgt nicht zuerst eine Wandlung der Größe Druck bzw. Dichte in eine analoge elektrische Größe, die danach in ein elektrisches Digitalsignal gewandelt werden könnte. Vielmehr bewirken die Änderungen der Größen Druck bzw. Dichte jeweils Veränderungen der Laufzeit von Pulsen des Laserlichts, die über Lichtwellenleiter erfasst werden, und damit direkt ein digitales optisches Signal, das dann bei Bedarf über geeignete optische Sensoren auch in ein elektrisches gewandelt werden könnte.

This problem is solved by the formulated in claim 1 features, namely

- A mirror cell, consisting of a two-sided beam-splitting optical disk and very good reflection of laser beams mirrors, which are perpendicular to each other and to the optical disk, in whose space the gas to be measured has access, and in this area during a sampling multiple times from a laser wave pulse thereafter, leaving the assembly thereafter, wherein the total length of pulse, including the following length of the gap to the next pulse, must be shorter than the geometric length of a single round in the mirror cell,
Wherein at the same time the distance of the successor pulse by the duty cycle is to be selected such that the previous pulse in the arrangement has already fallen to an intensity below its threshold value before the subsequent pulse is triggered,
The determination of the transit time, not the intensity, of the laser wave pulse, which is influenced by the instantaneous gas density, by means of a laser beam detector unit,
By comparing two output signals of this detector unit, one signal representing the duty cycle of the sampling frequency (which switches the laser pulse on and off), while the other part of the detector unit registers a changed duty cycle due to the different transit time of the laser wave pulse in the gaseous medium results. It is not first a change in the size of pressure or Density into an analog electrical quantity that could then be converted into a digital electrical signal. Rather, the changes in the sizes of pressure and density each cause changes in the duration of pulses of the laser light, which are detected by optical fibers, and thus directly a digital optical signal, which could then be converted if necessary via suitable optical sensors in an electrical.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass der Laserwellenpuls den Zustand der Gasdichte erfasst, ohne ihn durch das Erfassen rückwirkend zu beeinflussen. Dadurch kann die Anordnung nicht nur zur Messung des statischen Gasdruckes, sondern auch z. B. als Mikrofon verwendet werden, das nicht darauf abgestimmt werden muss, diesen rückwirkenden Einfluss auszugleichen. Damit ergibt sich ein frequenz- und pegellinear wirkender Sensor, der einen besonders linearen Phasengang aufweist. Eine Beschränkung des Wirkungsfrequenzbereiches auf eine bestimmte Bandbreite, wie bei den genannten bekannten Lösungen, findet nicht statt. Die Anordnung der Spiegel kann ggf. auch ohne aufwändige Positioniereinrichtung bzw. Fertigungstechnologie erfolgen. Der Fertigungsaufwand liegt damit niedriger als beispielsweise bei mit Membranen arbeitenden Drucksensoren oder Mikrofonen. Das die Anordnung verlassende Signal ist ein digitales optisches Pulssignal in der Frequenz des Pulssignales, welches den Laser ein- bzw. ausschaltet. Es könnte auch in ein elektrisches umgewandelt werden.The advantages achieved by the invention are that the laser wave pulse detects the state of the gas density without retroactively influencing it by the detection. As a result, the arrangement not only for measuring the static gas pressure, but also z. B. be used as a microphone that does not need to be tuned to compensate for this retroactive influence. This results in a frequency and level linear acting sensor having a particularly linear phase response. A restriction of the frequency range of action to a certain bandwidth, as in the known solutions mentioned, does not take place. If necessary, the arrangement of the mirrors can also take place without complex positioning or production technology. The manufacturing cost is thus lower than, for example, working with membranes pressure sensors or microphones. The signal leaving the array is a digital optical pulse signal in the frequency of the pulse signal which turns the laser on and off. It could also be converted into an electric one.

Eine Ausführung der Erfindung, wie in 1 dargestellt, wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt die Figur den Generator G, der den Laser L steuert. Der Laser ist über den Lichtweg 1 in einem nicht zur totalen Reflexion führenden Winkel an die beidseitig strahlteilende optische Platte P angekoppelt. Hinter dieser befindet sich eine quadratische Spiegelanordnung S, bestehend aus drei Spiegeln, so dass P und S eine Spiegelzelle bilden. Innerhalb dieser verläuft der Lichtweg 3. Die Lichtwege 2 und 4 führen außerhalb der Spiegelzelle zur Laserstrahl-Detektoreinheit und damit zu den Detektoren D1 für den reflektierten Anteil des direkt vom Laser gesendeten Laserstrahles 1 und D2 für den Anteil des aus der Spiegelzelle austretenden Laserstrahles 4. Die Wirkungsweise der dargestellten Erfindung besteht darin, dass der Generator G die Abtastfrequenz für den Laser L durch Ein- und Ausschalten pulst. Der während der High-Phase dieses Pulssignales ausgesandte Laserpuls trifft auf die Außenseite der strahlteilenden optischen Platte P, wobei ein Teil des Laserpulses durch Reflexion abgelenkt und über den Weg 2 auf Laserdetektor D1 geleitet wird. Der von der optischen Platte P gebrochene Anteil des ursprünglichen Pulses wird durch diese in das Innere der Spiegelzelle, und dort auf quadratischem Lichtweg 3 kontinuierlich im zu messenden Gas W geleitet. Die auf dem Lichtweg bei jedem erneuten Auftreffen des innen umlaufenden Laserpulses von der optischen Platte P gebrochenen Teile werden durch diese wieder nach außen geleitet, wo sie auf dem Weg 4 in der Laserstrahl-Detektoreinheit zum Detektor D2 gelangen. Das Maß x stellt die Seitenlänge des Quadrates dar, das der Laserwellenpuls in der Spiegelzelle während eines Umlaufes beschreibt. Damit sich der Effekt der Beeinflussung seiner Laufzeit durch den Zustand des Gases nicht selbst aufhebt, muss die Dimension der Spiegelzelle so gewählt werden, dass im Falle einer sich im Gas ausbreitenden Druckwelle deren halbe Wellenlänge größer oder höchstens gleich x istAn embodiment of the invention as in 1 will be described in more detail below. The figure shows the generator G, which controls the laser L. The laser is over the light path 1 coupled in an angle not leading to the total reflection angle to the two-sided beam splitting optical disk P. Behind this is a square mirror arrangement S, consisting of three mirrors, so that P and S form a mirror cell. Within this the light path runs 3 , The light paths 2 and 4 lead outside the mirror cell to the laser beam detector unit and thus to the detectors D1 for the reflected portion of the laser beam transmitted directly from the laser 1 and D2 for the proportion of the laser beam emerging from the mirror cell 4 , The operation of the illustrated invention is that the generator G pulses the sampling frequency for the laser L by switching on and off. The laser pulse emitted during the high phase of this pulse signal impinges on the outside of the beam splitting optical disk P, whereby a part of the laser pulse is deflected by reflection and over the path 2 is directed to laser detector D1. The fraction of the original pulse which has been refracted by the optical disc P passes through the latter into the interior of the mirror cell, and there on a square optical path 3 continuously passed in the gas to be measured W. The broken on the light path at each renewed impingement of the internal rotating laser pulse from the optical disk P parts are directed through this back out, where they on the way 4 in the laser beam detector unit to the detector D2 arrive. The dimension x represents the side length of the square which the laser wave pulse in the mirror cell describes during one revolution. So that the effect of influencing its transit time by the state of the gas does not cancel itself, the dimension of the mirror cell must be chosen so that in the case of a pressure wave propagating in the gas whose half wavelength is greater than or equal to x

Eine zweckmäßige Ausbildung der Detektoreinheit mit den Detektoren D2 und D1 zeigen 7 und 8 sowie 9 und 10 jeweils in den unteren Teilen in den schematischen Querschnitten A. Es handelt sich je um eine gekippte Ebene, die dicht mit Lichtwellenleitereingängen GE besetzt ist, siehe dazu 11. Alle auf die Anordnung treffenden Laserstrahlen müssen generell oder durch eine spezielle Kollimationsoptik, die vor den Detektoren D1 bzw. D2 angebracht ist, einen solchen Strahlenquerschnitt erhalten, dass Höhe und Breite der schrägen Detektorebene vollständig überstrichen werden. Die darauf treffenden Laserpulse verlöschen – je nach Verzögerung, die der Pulsanteil bis zum Weg 4 erfahren hatte – auf unterschiedlichen Höhenniveaus der Detektorfläche. Jedem dieser Niveaupunkte der spaltenförmig angeordneten Lichtwellenleitereingänge GE kann ein Zahlenwert zugeordnet werden, womit sich ein digitales Ausgangssignal ergibt. Der Blick auf die Ausgänge der Lichtwellenleiter einer Spalte Sp ergibt einen amplitudendiskreten Zustand zum jeweiligen Zeitpunkt. Die Matrix in 13 zeigt beispielhaft Ausgangszustände der Lichtwellenleiter zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1...tn. Die Aneinanderreihung dieser Zustände macht das ursächliche Gasdichtesignal digitalisiert sichtbar. Als Triggerung der Taktfrequenz dient der Zeitpunkt, zu dem das letzte Photon des Laserpulses auf dem Lichtweg 2 den am weitesten oben gelegenen Lichtwellenleiter der gekippten Detektorebene D1 überstrichen hat. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Lichtwellenleiter von D1 dunkel. Die Lichtwellenleiter auf der gekippten Ebene von D2 verdunkeln zum gleichen Zeitpunkt bis zu der Stelle, wo sich die letzten wahrnehmbaren Photonen des in der Spiegelanordnung verzögerten Lichtpulses gerade befinden. Der Ort der Verdunklung auf D2 hängt also von der Verzögerung durch den Druck des Gases in der Spiegelanordnung ab (Method of last Photons = MOLP).An expedient embodiment of the detector unit with the detectors D2 and D1 show 7 and 8th such as 9 and 10 each in the lower parts in the schematic cross-sections A. It is each a tilted plane which is densely occupied with optical fiber inputs GE, see 11 , All of the laser beams striking the arrangement must generally or through a special collimating optics, which is mounted in front of the detectors D1 or D2, receive such a beam cross-section that the height and width of the oblique detector plane are completely swept over. The incident laser pulses go out - depending on the delay, the pulse proportion to the way 4 had experienced - at different height levels of the detector surface. Each of these level points of the column-shaped optical waveguide inputs GE can be assigned a numerical value, which results in a digital output signal. The view of the outputs of the optical waveguides of a column Sp results in an amplitude discrete state at the respective time. The matrix in 13 shows by way of example output states of the optical waveguides at different times t1... tn. The juxtaposition of these states makes the causative gas density signal digitized visible. Triggering the clock frequency is the time at which the last photon of the laser pulse on the light path 2 has swept the uppermost optical fiber of the tilted detector plane D1. At this time all optical fibers of D1 are dark. The optical fibers on the tilted plane of D2 at the same time darken to the point where the last detectable photons of the light pulse delayed in the mirror array are currently located. The location of the obscuration on D2 thus depends on the delay due to the pressure of the gas in the mirror arrangement (Method of last photons = MOLP).

Der Detektor D1 gibt aufgrund der kurzen Laufzeit des Laserwellenpulses auf dem Weg 1 vom Laser über die außenseitige Fläche der strahlteilenden optischen Platte P auf dem Weg 2 ein Signal aus, das dem vom Laser L gesendeten Rechtecksignal, dem Abtastsignal, entspricht. Der Detektor D2 gibt ein Signal aus, das aufgrund in der Spiegelzelle noch vorhandener und in der rechtwinkligen Spiegelanordnung S, P im Gas W auf dem Weg 3 umlaufender Teile des ursprünglichen Laserwellenpulses eine um mehr oder weniger verlängerte High-Phase aufweist, bis die bei jedem Umlauf auf dem Weg 3 an der Glasplatte P abgespaltenen Teile des umlaufenden Strahls über den Weg 4 zum Detektor D2 gelangten Anteile die Schwellempfindlichkeit des Detektors unterschreiten. Für jede Schwellabtastperiode liegt am Ausgang des Detektors D1 ein als Referenz dienendes Tastverhältnis und am Ausgang von Detektor D2 ein in Zahlenform vorliegendes Tastverhältnis an, das der Höhe der Gasdichte entspricht oder auch der Art des Gases.The detector D1 is due to the short duration of the laser wave pulse on the way 1 from the laser over the outside surface of the beam splitting optical disk P on the way 2 a signal from that sent by the laser L. Square wave signal corresponding to the sampling signal. The detector D2 outputs a signal which is still present in the gas cell W due to the mirror cell still existing in the rectangular mirror arrangement S, P on the way 3 circulating portions of the original laser pulse has a more or less prolonged high-phase until the on each trip on the way 3 on the glass plate P split off parts of the circulating beam over the way 4 to the detector D2 shares fell below the threshold sensitivity of the detector. For each Schwellabtastperiode is at the output of the detector D1 serving as a reference duty cycle and at the output of detector D2 a number-present duty cycle, which corresponds to the height of the gas density or the nature of the gas.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 1, gezeigt in 4, ermöglicht es, die Empfindlichkeit der Anordnung zur Bestimmung der momentanen Gasdichte zu erhöhen, indem möglichst wenig Restanteile seitlich aus der Spiegelzelle austreten und der Laserstrahl besonders stark gebündelt wird. Dazu haben die Spiegelflächen von S und P eine konkave Krümmung K, wodurch der reflektierte Strahlenanteil auf den Reflexionspunkt des im Verlauf folgenden Spiegels fokussiert wird. Diese fokussierende Spiegeloberfläche ist generell bei allen hier beschriebenen erfindungsgemäßen Spiegelzellen anwendbar.The development according to claim 1, shown in FIG 4 , makes it possible to increase the sensitivity of the arrangement for determining the instantaneous gas density by exiting the least possible residual portions laterally from the mirror cell and the laser beam is bundled particularly strong. For this purpose, the mirror surfaces of S and P have a concave curvature K, whereby the reflected beam portion is focused on the reflection point of the mirror following in the course. This focusing mirror surface is generally applicable to all mirror cells according to the invention described herein.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 1, gezeigt in 5, ermöglicht es, die Empfindlichkeit der Anordnung weiter dadurch zu erhöhen, dass die strahlteilende optische Platte P innen ebenfalls einen Laserstrahlen nahezu 100% reflektierenden Spiegelbelag erhält und dieser Spiegelbelag mit je einer Öffnung Ö1 für den eintretenden Laserstrahl und einer solchen Ö2 für den austretenden Laserstrahl versehen wird, in deren Bereichen ein deutlich geringeres Reflexionsvermögen besteht. Gleichzeitig ist der Einstrahlwinkel α so auszuprägen, dass der umlaufende Laserstrahl erst nach einer sehr großen Anzahl von Umläufen auf die Ausgangsöffnung trifft und z. B. durch einen Hilfsspiegel SH zu Detektor D2 geleitet wird. Zur Vermeidung des Hilfsspiegels kann die Laserstrahl-Detektoreinheit mit dem Detektor D2 auch direkt in Richtung des Austrittsstrahles 4 angeordnet sein. Durch diese Weiterbildung der Anordnung kommt es in der Spiegelzelle bis zum Austritt des Laserstrahles zu weniger Photonenverlusten.The development according to claim 1, shown in FIG 5 , makes it possible to further increase the sensitivity of the arrangement in that the beam-splitting optical disk P inside also receives a nearly 100% reflective laser reflecting mirror coating and provided this mirror coating, each with an opening Ö1 for the incoming laser beam and such Ö2 for the exiting laser beam whose areas have a significantly lower reflectivity. At the same time, the angle of incidence α is to be impressed so that the circulating laser beam strikes the exit opening only after a very large number of revolutions and z. B. is passed through an auxiliary mirror SH to the detector D2. To avoid the auxiliary mirror, the laser beam detector unit with the detector D2 also directly in the direction of the exit beam 4 be arranged. Due to this development of the arrangement, less photon losses occur in the mirror cell until the laser beam exits.

Falls bei der Erfassung von Wechseldrücken die Dynamik des Wandlers nicht ausreichend ist, um nach der AD Wandlung den durch statischen Druck möglicherweise entstehenden hohen quasistatischen- bzw. Gleichanteil auszuschließen, kann, wie in 2 dargestellt, eine gleichartig dimensionierte Spiegelzelle im Weg 2 eingefügt werden, die der zu messenden Druck- bzw. Dichteschwankung durch beidseitige Abdeckungen AB unzugänglich gemacht ist, aber durch eine Kapillare KA trotzdem vom quasistatischen Druck beaufschlagt wird. Damit kann bewirkt werden, dass die Laserstrahlen in beiden Spiegelzellen durch den quasistatischen Druck in gleicher Weise in ihrer Laufzeit beeinflusst werden, wodurch sich diese Einflüsse bei der Messung in der Detektoreinheit aufheben.If, during the detection of alternating pressures, the dynamics of the transducer are insufficient to preclude the high quasi-static or direct component which may arise as a result of static pressure after AD conversion, as can be seen in FIG 2 represented, a similar sized mirror cell in the way 2 are inserted, which is made inaccessible to the pressure or density fluctuation to be measured by covers AB on both sides, but is still acted upon by a capillary KA from the quasi-static pressure. It can thus be effected that the laser beams in both mirror cells are influenced in the same way in their propagation time by the quasi-static pressure, whereby these influences cancel out during the measurement in the detector unit.

Wird, wie in 3 dargestellt, die Spiegelzelle auf dem Weg 2 für den zu messenden Wechseldruck ebenso voll zugänglich gestaltet wie die Spiegelzelle auf dem Weg 3 und werden beide Spiegelzellen an unterschiedlichen Orten eines Schallfeldes platziert, wird mit der Anordnung eine Differenzdruckmessung möglich. Die Anordnung ist damit als Druckgradientenmesser bzw. Schallintensitätssensor geeignet. Denkbar ist ebenso, die Zugänglichkeit für den Wechseldruck in die Spiegelzelle auf dem Weg 2 mehr oder weniger durch ein akustisches Laufzeitverzögerungsglied einzuschränken, womit sich unterschiedlich ausgeprägte Richtcharakteristiken erreichen lassen. Ein gleicher Effekt ist durch Einfügen einer Verzögerung des optischen Signals einer der beiden Spiegelzellen zu erreichen.Will, as in 3 represented, the mirror cell on the way 2 designed as fully accessible for the alternating pressure to be measured as the mirror cell on the way 3 and if both mirror cells are placed at different locations of a sound field, a differential pressure measurement becomes possible with the arrangement. The arrangement is thus suitable as Druckgradientenmesser or sound intensity sensor. It is also conceivable, the accessibility for the alternating pressure in the mirror cell on the way 2 more or less limited by an acoustic propagation delay element, which can be achieved with different pronounced directional characteristics. A similar effect can be achieved by inserting a delay of the optical signal of one of the two mirror cells.

Wird die Anordnung gemäß 5 gegenüber dem umgebenden Gas total abgedichtet und im Inneren zur Minimierung von Verlusten mit Vakuum oder einem Gas mit wesentlich geringerem Brechungsindex als Luft, z. B. Helium oder Neon, beaufschlagt, sowie der Einstrahlwinkel genau danach gewählt, welchen Weg und welche damit verbundene Laufzeit der Laserstrahl im Inneren der Anordnung benötigt, bevor der Puls wieder austritt, kann die spezielle geschlossene Spiegelzelle als Laufzeitverzögerungsglied bzw. zeitlich begrenzt wirkende optische Speicherzelle SZ dienen, beispielsweise zum Realisieren der Verzögerung des optischen Signals, wie in Abs. 0018 beschrieben. Für quasi sehr lange Speicherzeit kann die Anordnung nach 1 verwendet werden, wenn sie gegenüber dem umgebenden Gas total abgedichtet sowie mit Vakuum oder einem Gas, wie oben beschrieben, beaufschlagt wird und die zu speichernde Pulsfolge nicht länger ist als ein Umlauf in der Speicherzelle SZ. Weiterhin muss die strahlteilende Platte in ihrer Spiegeleigenschaft mindestens an der Ein- bzw. Austrittsstelle veränderbar sein, zum Beispiel durch Verwenden einer elektrochromen Beschichtung. Das gespeicherte Signal kann dann abgerufen werden, wenn die innenliegende Spiegelfläche von reflektierend auf durchlässig umgeschaltet wird.If the arrangement according to 5 totally sealed against the surrounding gas and internally to minimize losses with vacuum or a gas having a much lower refractive index than air, e.g. As helium or neon, applied, and the Einstrahlwinkel selected exactly which path and which associated runtime of the laser beam inside the assembly required before the pulse exits again, the special closed mirror cell as a delay element or temporally limited acting optical memory cell SZ serve, for example, to realize the delay of the optical signal, as described in paragraph 0018. For a very long storage time, the arrangement can after 1 be used when it is totally sealed off from the surrounding gas and with vacuum or a gas, as described above, is applied and the pulse sequence to be stored is not longer than one revolution in the memory cell SZ. Furthermore, the beam splitting plate must be changeable in its mirror property at least at the entry or exit point, for example by using an electrochromic coating. The stored signal can then be retrieved when the internal mirror surface is switched from reflective to transmissive.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 1, gezeigt in 6, zeigt einen Weg, die Empfindlichkeit der Anordnung dadurch zu erhöhen, dass fünf Spiegelelemente im Verhältnis zu der dem Laser L abgewandten Seite der strahlteilenden optischen Platte P so angeordnet werden, dass der erst nach mehreren Umläufen austretende Laserstrahl die strahlteilende optische Platte zum Detektor nicht nochmals durchlaufen muss. Dabei kann über den Anstellwinkel β des Spiegels S1 die Zahl der Umläufe zwischen den weiteren Spiegeln und damit die Empfindlichkeit des Wandlers reguliert werden, weil damit die Weglänge des Laserlichtes durch das zu analysierende Medium beeinflussbar ist.The development according to claim 1, shown in FIG 6 , shows a way of increasing the sensitivity of the arrangement by arranging five mirror elements in relation to the side of the beam-splitting optical disk P facing away from the laser L, so that the laser beam emerging after a plurality of circulations forms the beam splitting end optical plate to the detector does not have to go through again. In this case, the number of revolutions between the other mirrors and thus the sensitivity of the transducer can be regulated by way of the angle of incidence β of the mirror S1, because in this way the path length of the laser light can be influenced by the medium to be analyzed.

Für die erfindungsgemäßen Anordnungen nach 1 und 4 zeigt 7 oben schematisch den direkten Laserstrahl auf dem Weg 2 aus der gepulsten Laserquelle L beim Erreichen des Detektors D1. Darunter ist der Zustand des nach mehreren Umläufen durch die erfindungsgemäße Anordnung beeinflussten Laserstrahles auf dem Weg 4 in Draufsicht und in Seitenansicht A zu sehen. Der seit dem Durchlaufen der strahlteilenden optischen Platte bei jedem Umlauf zunehmend verlängerte Pulsanteil endet am Detektor D2 später als der Originalpuls, was im mittleren Bildteil als Draufsicht ersichtlich ist. 8 zeigt vergleichsweise den Zustand für eine höhere Gasdichte bzw. die Änderung infolge einer geänderten Brechzahl, zum Beispiel durch ein anderes Gas.For the inventive arrangements according to 1 and 4 shows 7 above schematically the direct laser beam on the way 2 from the pulsed laser source L upon reaching the detector D1. Below this, the state of the laser beam influenced by the arrangement according to the invention after several cycles is on the way 4 to see in plan view and in side view A. The pulse component, which has been increasingly extended with each revolution since passing through the beam-splitting optical disk, ends later at the detector D2 than the original pulse, which can be seen in the middle part of the image as a plan view. 8th comparatively shows the state for a higher gas density or the change due to an altered refractive index, for example by another gas.

Die Darstellungen in 9 und 10 zeigen, wie in den erfindungsgemäßen Anordnungen nach 5 und 6 der Laserstrahl bei gleicher Gasdichte weniger Verluste bei den Umläufen erleidet als in den Anordnungen nach 1 bis 4, weil dort das wiederholte Auftreffen auf die strahlteilende optische Platte naturgemäß zu Intensitätsverlusten führt.The illustrations in 9 and 10 show, as in the inventive arrangements according to 5 and 6 the laser beam with the same gas density suffers less losses in the circulations than in the arrangements 1 to 4 because the repeated impact on the beam-splitting optical disk naturally leads to intensity losses.

Dieses optische Digitalsignal kann als Grundlage für die Signalverarbeitung im optischen Computer dienen. Ein erster Signalverarbeitungsschritt ist zum Beispiel das Ausblenden von Oberwellen aus dem ursprünglichen Spektrum der Dichteschwankungen des gasförmigen Mediums, wie häufig schon bei Schalldrucksignalen angewandt. Das spezielle Realisieren einer solchen Funktion, in 11 beispielhaft dargestellt, auf optischer Basis besteht darin, dass eine bestimmte wählbare Anzahl von Lichtwellenleiterausgängen des Detektors D2 optisch gebündelt werden, um sie danach wieder zu verzweigen. Damit wird der optische High-Zustand in einem der gebündelten Lichtwellenleiter auf alle Fasern des abgehenden Lichtwellenleiterbündels B übertragen. Über die dadurch wahlweise erzielbare geringere Amplitudenauflösung des Detektors lassen sich hohe Frequenzanteile, die kleinere Pegel als das Grundsignal besitzen, unterdrücken. Die Anzahl der Fasern je Bündel bestimmt das Maß der Störungsunterdrückung.This optical digital signal can serve as a basis for signal processing in the optical computer. A first signal processing step is, for example, the masking of harmonics from the original spectrum of the density fluctuations of the gaseous medium, as is often already used with sound pressure signals. The special realization of such a function, in 11 exemplified on an optical basis is that a certain selectable number of optical fiber outputs of the detector D2 are optically bundled, to then branch them again. In this way, the optical high state in one of the bundled optical waveguides is transmitted to all the fibers of the outgoing optical waveguide bundle B. By thus selectively achievable lower amplitude resolution of the detector can be high frequency components that have smaller levels than the fundamental signal suppress. The number of fibers per bundle determines the degree of interference suppression.

Die Lichtwellenleiterausgänge der Spalten SP können einem optischen Verzögerungs- bzw. Speicherarray wie in 12 zugeordnet werden, derart, dass jeweils alle Ausgänge einer Spalte mit einzelnen Speicherzellen SZ verbunden sind, denen jeweils eine bestimmte Verzögerungszeit Δ1, Δ2... zugeordnet ist. Die Lichtwellenleiter, in die die Ausgänge der Speicherzellen SZ münden, werden mit den Lichtwellenleitern der Spalte mit dem unverzögerten Originalsignal einzeln parallel verknüpft, bzw. gebündelt. Damit können hochfrequente Störsignale folgendermaßen ausgeblendet werden. Verschiebt sich zum Beispiel das Signal (Spalte ohne Verzögerungsglied) gegenüber dem zu überlagernden Signal einer Spalte, deren Signal in Verzögerungsgliedern gespeichert wurde, um die halbe Periode einer Störfrequenz, so hebt sich im Gesamtsignal nach der Überlagerung das Signal der Störfrequenz auf, übrig bleibt im Wesentlichen das Grundsignal. Es besteht ebenfalls eine Faltungsmöglichkeit für das Signal. Es zeigenThe fiber optic outputs of the columns SP may be an optical retarder array, as in FIG 12 be assigned, such that in each case all the outputs of a column are connected to individual memory cells SZ, which in each case a certain delay time Δ1, Δ2 ... is assigned. The optical waveguides, into which the outputs of the memory cells SZ open, are individually linked or bundled in parallel with the optical waveguides of the column with the instantaneous original signal. This high-frequency noise can be hidden as follows. If, for example, the signal (column without delay element) shifts with respect to the signal to be superimposed of a column whose signal has been stored in delay elements by half the period of a disturbing frequency, then the signal of the disturbance frequency is canceled out in the total signal after the superposition Essentially the basic signal. There is also a folding option for the signal. Show it

13 das zu messende Grundsignal, 13 the basic signal to be measured,

14 ein das Grundsignal überlagerndes Störsignal, 14 a noise signal superimposed on the fundamental signal,

15 die Wirkung der Bündelung von zwei Fasern zur Verringerung der Amplitudenauflösung und 15 the effect of bundling two fibers to reduce the amplitude resolution and

16 die Wirkung der Bündelung der Fasern mit dem Originalsignal und der Fasern mit dem durch Speicherzellen verzögertem Signal. 16 the effect of bundling the fibers with the original signal and the fibers with the signal delayed by memory cells.

Bestimmte Anwendungsfälle könnten den Einsatz einer hohen Zahl an Verzögerungs- bzw. Speicherarrays nach Absatz (0019) verlangen, so dass eine dichte Packung derselben erforderlich wird, um Raum zu sparen. Die Lösung dafür bietet die Mikro- bzw. Nanotechnik. Erfindungsgemäß könnten die Anordnungen nach den 1, 2, 3, 4 oder 5 als Mikrochip aufgebaut werden. Spiegelflächen entstehen dabei durch Beschichten. Eine Spiegelzelle wird jeweils auf einer dünnen, optisch undurchlässigen Grundplatte angeordnet. Plattendicke und Höhe der Spiegel liegen im Mikrometerbereich. Ein Speicherzellenarray entsteht aus der stapelförmigen Anordnung mehrerer solcher Grundplatten mit Spiegelzellen, die mit einer Deckplatte abzuschließen ist. Deckplatte, Grundplatten und alle Teile der Spiegelzellen sind dabei jeweils als akustisch harte Bauteile auszulegen.Certain applications may require the use of a large number of delay arrays as per paragraph (0019), so that a dense package is required to save space. The solution is provided by micro- or nanotechnology. According to the arrangements according to the 1 . 2 . 3 . 4 or 5 be built as a microchip. Mirror surfaces are created by coating. A mirror cell is arranged in each case on a thin, optically impermeable base plate. Plate thickness and height of the mirrors are in the micrometer range. A memory cell array arises from the stacked arrangement of a plurality of such base plates with mirror cells, which is complete with a cover plate. Cover plate, base plates and all parts of the mirror cells are to be interpreted as acoustically hard components.

Ein digitales Messergebnis lässt sich auch mit Hilfe eines hinreichend schnellen Photonenzählers erzielen. Jeder, die erfindungsgemäße Spiegelanordnung auf dem Weg 4 verlassende Laserpuls ist – abhängig von Druck bzw. Dichte des Gases – mehr oder weniger in seiner zeitlichen Dauer gegenüber dem Originalpuls auf dem Lichtweg 2 gedehnt, womit sich hinter der Spiegelanordnung auch die Zahl der sich im Laserstrahl pro Zeiteinheit durch einen Wegabschnitt bewegenden Photonen ändert. Eine Zählung der sich pro Zeiteinheit in den Pulsen auf den Wegen 2 und 4 bewegenden Photonen ergibt einen Zahlenwert und damit ein digitales Ergebnis. Eine schematische Darstellung zeigen 7 für niedrigen Druck und 8 für höheren Druck. Je höher die Dichte des durchlaufenen Gases, desto gedehnter die austretenden Pulse, desto geringer die gemessene Photonenzahl (Method of Photon Inflation = MOPI).A digital measurement result can also be achieved with the help of a sufficiently fast photon counter. Everyone, the mirror assembly according to the invention on the way 4 leaving laser pulse is - depending on the pressure or density of the gas - more or less in its duration compared to the original pulse on the light path 2 stretched, which also changes the number of moving in the laser beam per unit time by a path section photons behind the mirror assembly. A count of per unit time in the pulses on the paths 2 and 4 moving photons gives a numerical value and thus a digital result. Show a schematic representation 7 for low pressure and 8th for higher pressure. The higher the density of the gas passed through, the more stretched the emerging pulses, the lower the measured photon number (MOPI).

Claims

Arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of a laser, characterized in that it consists of a pulsed laser source (L) and a mirror cell, which in turn consists of a beam splitting optical disk (P) and reflection mirrors (S), as well as a Laser detector unit (D1, D2) for converting the influenced by gas density fluctuations laser beam into an optical or electrical digital signal and the reflection mirrors are arranged at right angles to each other and to the optical disk (P) that in the interior of a laser beam on the optical path ( 3 ), to which the gas to be measured has access and thus influences the transit time of the laser beam to be measured by the detector unit as a function of the respective gas density.

Arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of laser according to claim 1, characterized in that in the direct light path ( 2 ) to the detector (D1) a mirror cell is inserted, which like the light path ( 3 ) is dimensioned mirror cell and is acted upon by a correspondingly sized capillary (KA) from the quasi-static pressure and at the same time remains inaccessible to the pressure or density fluctuations of the signal to be measured.

Arrangement for determining the density fluctuations of gases by means of laser according to claim 2, characterized in that the direct light path ( 2 ) to the detector (D1) inserted mirror cell is designed to be fully accessible for the alternating pressure to be measured and both mirror cells are placed at different defined locations in the medium to be measured in order to determine a pressure gradient can.

Arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of laser according to claim 3, characterized in that the direct light path ( 2 ) to the detector (D1) inserted mirror cell receives the alternating pressure to be measured via an acoustic propagation delay element.

Arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of laser according to claim 3, characterized in that one of the mirror cells leaving optical signals is delayed by a further mirror cell according to claim 9.

Mirror cell of an optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of laser according to claim 1 to 4, characterized in that the double-beam splitting optical plate (P) also has a nearly 100% reflective mirror coating, both an inlet opening (Ö1) than also contains an outlet opening (Ö2) located elsewhere for the laser beam, in whose areas a significantly lower reflectivity, and the entry angle (α) is selected for the laser beam so that the point of impact of the laser beam on the first mirror after each revolution on migrates in the direction of the outlet opening (Ö2) and when they reach the mirror assembly thereby in the direction of the detector (D2) leaves.

Mirror cell for processing optical signals by means of laser according to claim 6, characterized in that the beam-splitting optical disk (P) is designed to be optically variable at least at the inlet and outlet opening by an electrochromic coating.

Mirror cell of an optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases according to claims 3 or 5, characterized in that after the beam-splitting optical disk (P) the mirror arrangement (S) offers both a glass-free inlet opening and a glass-free outlet opening for the laser beam and consists of four mirrors which are arranged as parts of a rectangle orthogonal to each other and by the arrangement of a (by the angle β) pivotable fifth mirror (S1) is added, which serves to introduce the laser beam into the mirror cell.

Mirror cell for processing optical signals by means of laser according to claim 1 or 6, characterized in that it is totally sealed against the surrounding gas and with vacuum or a gas having a substantially lower refractive index than air, for. As helium or neon, is applied to delay or temporarily store an optical signal and the mirror surface at the entrance or exit point of the laser beam to change the mirror property has an electrochromic coating.

Mirror cell for processing optical signals by means of laser according to claim 1 to 9, characterized in that this, in micro- or nanotechnology, on an optically opaque base plate arranged thereon beam splitting optical disk and the mirrors, wherein the mirror surfaces are produced by coating, all Parts are acoustically designed hard and can be arranged as a stack.

Mirror cell of an optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases according to claims 1 to 10, characterized in that the inner mirror surfaces have a concave curvature (K), whereby the reflected beam portion is focused on the reflection point of the subsequent mirror.

Optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases according to Claim 1, characterized in that the detector (D1, D2) used is a photosensitive sensor array which supplies a digital electrical output signal.

Optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases according to claims 1 to 11, characterized in that the laser detector unit (D1, D2) as a tilted plane with optical fiber inputs (GE), in columns (Sp) and rows (Z) are arranged, executed and a collimating optics at the laser output, in each case between mirror cell and detector (D1 or D2) is arranged such that all the tilted plane striking beam parts obtained such a cross-section that the detector surface in height and width is completely swept over, and both beam parts only contain axially parallel light components, wherein the axes are aligned parallel to the base of the tilted detector plane.

Optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases according to claim 13, characterized in that the number of inputs (GE) of a column (Sp) are decisive for the resolution of the ADU and in each case within the column (Sp) adjacent optical fibers for the purpose of processing the signal can be optically bundled with each other, wherein the bundles (B) column by column contain different numbers of optical waveguides.

Optical arrangement for determining the density or density fluctuations of gases according to Claim 13, characterized in that the laser detector unit (D1, D2) is arranged as a tilted plane with optical waveguide inputs (GE) arranged in columns (Sp) and rows (Z) , Is formed so that the optical waveguide inputs (GE) of a column (SP) are each connected to a memory cell array or stack according to claims 7, 9 and 10 with individual memory cells (SZ), each having a certain delay time (Δ1, Δ2 ...), and the outputs of these memory cells in optical fibers of the column with no memory or delay cells open to superimpose the original instantaneous original signal for interference suppression or convolution with a signal lying earlier in time.

Arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of a laser, characterized in that the number of photons per unit time of the laser beam ( 4 ) is detected after the exit of the laser pulse from the mirror cell instead of a sensor array according to claim 12 or a detector according to claim 13 by means of a sufficiently fast photon counter, wherein the number of per unit time by a path section moving photons direct digital information on the offers respective gas density.

Arrangement for determining the density or density fluctuations of gases by means of laser according to claims 1 to 16, characterized in that these in combination or individually for measuring, recording, processing, storage and output of sound events, eg. B. as a microphone or sound transducer use.