CH667735A5 - Vorrichtung zum ueberwachen und messen von druecken. - Google Patents
Vorrichtung zum ueberwachen und messen von druecken. Download PDFInfo
- Publication number
- CH667735A5 CH667735A5 CH4370/84A CH437084A CH667735A5 CH 667735 A5 CH667735 A5 CH 667735A5 CH 4370/84 A CH4370/84 A CH 4370/84A CH 437084 A CH437084 A CH 437084A CH 667735 A5 CH667735 A5 CH 667735A5
- Authority
- CH
- Switzerland
- Prior art keywords
- waveguide
- waveguide loop
- pressure
- optical
- loop
- Prior art date
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 47
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 25
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910052910 alkali metal silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
- G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
- G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen und Messen von Drücken, mit einer druckempfindlichen Einrichtung mit einer Membrane im Innern einer starren Umrandung und einem auf einer Stirnseite angeordneten optischen Weg, wobei die Membrane unter Druck verformbar ist, um eine druckabhängige Belastung im optischen Weg hervorzurufen.
Druckwandler sind Vorrichtungen, die verwendet werden, um Druckänderungen zu überwachen. Ein Druckwandler ist ein aus einem Stück bestehendes Teil eines Druckmesssystems und ist an einer interessierenden Stelle angeordnet. Der Druckwandler wird mit einem elektrischen, pneumatischen, hydraulischen oder optischen Signal überwacht oder abgefragt. Das Signal teilt die Druckänderungen an der Stelle des Wandlers mit. Aufgrund der ungeheuer zunehmenden Verwendung von optischen Wellenleitern sind bereits optische Sensoren aller Arten vorgeschlagen worden. In der US-PS 4 295 738 ist beispielsweise ein mehradriger, druckempfindlicher, optischer Wellenleiter aus Fasermaterial offenbart. Die auf den optischen Wellenleiter einwirkenden Spannungsänderungen werden dadurch berstimmt, dass die relative Intensität des Lichtes gemessen wird, das aus den Adern austritt.
Besonderes Interesse verdient ein Artikel mit dem Titel «Photoelastic and Electro-Optic Sensors» von Clifford G. Walker, veröffentlicht in Vol. 412, Fiber Optic and Laser Sensors, Proceedings of SPIE (1983). Dieser Artikel beschreibt einen passiven Laser-Beschleunigungsmesser. In diesem Artikel ist ein Ringresonator in einem Laser-Beschleunigungsmesser mit einer Laser-Quelle gezeigt, die eine sehr schmale Zeilenbreite aufweist und deren Ausgangsstrahl in zwei getrennte Strahlen aufgespalten wird, die durch getrennte Bragg-Zellen hindurchgeführt werden. Ein Polarisator dreht einen Strahl um 90°, worauf die Strahlen einem Ringresonator zugeführt werden.
Die auf den Ringresonator einwirkende Belastung kann dadurch gemessen werden, dass die Differenz der Frequenz verfolgt wird. Es ist jedoch zu bemerken, dass der im Artikel von G. Walker vorgeschlagene, optische Sensor eine nicht kohärente Breitbandquelle einer optischen Energie zum Messen der Änderung der druckabhängigen Doppelbrechung nicht aufweist, die mit der unter Druck erfolgten Verformung einer Membrane verbunden ist, die aus einem optischen Material mit hoher Qualität besteht.
Es ist Ziel und Zweck der Erfindung, eine Vorrichtung zum Überwachen und Messen von Drücken mit einem Druckwandler zu schaffen, der aus optischen Materialien hergestellt ist, um eine genaue und wiederholbare Druckmessung über einen weiten Temperaturbereich in einer rauhen Umgebung, wie beispielsweise in korrosiven Gasen und Flüssigkeiten, zu gewährleisten.
Dieses Ziel wird nach der Erfindung bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch erreicht, dass der optische Weg eine Wellenleiter-Schleife umfasst, wobei die Belastung eine Doppelbrechung in der Wellenleiter-Schleife hervorruft; dass eine optische Eingangs-Einrichtung in unmittelbarer Nähe der Wellenleiter-Schleife angeordnet ist und die Lichtenergie der Wellenleiter-Schleife zuführt; und, dass eine optische Ausgangs-Einrichtung ebenfalls in unmittelbarer Nähe der Wellenleiter-Schleife angeordnet ist und einen Teil der Lichtenergie aus der Wellenleiter-Schleife abführt; wobei eine Veränderung der Frequenzdifferenz im spektralen Frequenzbereich der in der Wellenleiter-Schleife in Resonanz schwingenden Lichtenergie als Folge der druckabhängigen Doppelbrechung erfolgt, die proportional dem auf die Membrane wirkenden Druck ist.
Die vorstehenden Ausführungen und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen näher hervor.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine vergrösserte, perspektivische Ansicht mit der Darstellung der Grundkomponenten einer optischen Vorrichtung zum Messen von Drücken gemäss der Erfindung, wobei der mit einem ausgeschnittenen Segment gezeigte Druckwandler auf einer Stirnseite einer Wellenleiter-Schleife sowie Eingangsund Ausgangs-Wellenleiter aufweist,
Fig. 2 einen Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Druckwandlers mit einer Darstellung, bei welcher die Membrane etwas übertrieben durch einen einwirkenden Druck verformt ist,
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Versetzung der Differenzfrequenz der optischen Energie zeigt, die in der Wellenleiter-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
3
667 735
Schleife in Resonanz schwingt, die an der Stirnseite des Druckwandlers angeordnet ist, und
Fig. 4 ein Diagramm, welches die Unterschiede zwischen den normalisierten Versetzungen der Resonanzfrequenzen über dem Radius der Schleife auf der Membrane des Druckwandlers zeigt.
Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, welche in vereinfachter Form die Hauptteile des optischen Drucksensors gemäss der Erfindung zeigt. Ein Druckwandler 10 ist an einer Stelle angeordnet, an welcher die Änderungen des Druckes eines Strömungsmediums gemessen werden sollen. Im Mittelbereich des Wandlers 10 ist eine Membrane 12 vorgesehen, die mit einem Rand 14 aus einem Stück besteht. Der Rand 14 erstreckt sich rund um den Aussenumfang des Druckwandlers 10. Eine Stirnseite 16 (die Oberseite bei der Darstellung in Fig. 1) weist eine Wellenleiter-Schleife 18 auf, die an einer Stirnseite der Membrane 12 ausgebildet ist. Ein Eingangs-Wellenleiter 20 ist ebenfalls auf der Stirnseite 16 des Druckwandlers 10 ausgebildet und erstreckt sich bei der bevorzugten Ausführungsform von einem Punkt 22 am Aussenumfang des Randes 14 längs einer Sehne durch einen die Energie übertragenden Punkt 24 zu einem Punkt 25 am gegenüberliegenden Ende des Druckwandlers. Der Punkt 24, an welchem die Energieübertragung erfolgt, liegt tangential an der Wellenleiter-Schleife 18. Die Stirnseite 16 weist ferner einen Ausgangs-Wellenleiter 26 auf, der sich von einem Punkt 27 längs einer Sehne durch einen die Energie übertragenden Punkt 28 zu einem Punkt 30 am Umfang des Randes 14 erstreckt. Der Punkt 28, an welchem die Energieübertragung erfolgt, liegt tangential an der Wellenleiter-Schleife 18.
Der optische Drucksensor gemäss der Erfindung weist auch eine optische Quelle 32 auf, die beispielsweise eine Superstrahldiode oder eine andere spektralleuchtende, optische Halbbreit-band-Quelle sein kann, welche die optische Energie durch das Ende 22 des Ausgangs-Wellenleiters 20 zuführt. Ein Frequenz-Detektor 34 ist ebenfalls vorgesehen, um die Lichtenergie zu überwachen, die aus dem Ende 30 des Ausgangs-Wellenleiters 28 austritt. Wie im nachstehenden näher erläutert ist, stellt der Frequenz-Detektor 34 eine Vorrichtung dar, welche den spektralen Anteil der Lichtenergie analysiert, die in der Wellenleiter-Schleife 18 in Resonanz schwingt. Die optische Quelle 32 und der Frequenz-Detektor 34 können an einer entfernt liegenden Stelle angeordnet sein. Die optische Energie kann in di'esem Fall durch nicht dargestellte optische Wellenleiter zum und vom Druckwandler 10 geführt werden. Dies ist besonders dann wünschenswert, wenn die Druckänderungen in einer rauhen Umgebung gemessen werden sollen, wie dies beispielsweise bei hohen Temperaturen oder korrosiven Strömungsmedien der Fall ist.
Ein besonders wichtiger Gesichtspunkt des optischen Drucksensors gemäss der Erfindung bezieht sich auf die Art und Weise, in welcher der Druckwandler 10 auf die Druckänderungen anspricht, so dass diese Druckänderungen durch den Frequenz-Detektor 34 genau überwacht werden können. In Fig. 2 ist der Druckwandler 10 im Querschnitt dargestellt, wobei die Verformung bzw. die Ausbauchung der Membrane 12 aus Gründen der Klarheit übertrieben dargestellt ist. Der Druckwandler 10 besteht vorzugsweise aus einem optisch durchsichtigen Material, das zur Herstellung von verlustarmen, optischen Wellenleitern geeignet ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat der Rand 14 eine viel grössere Dicke als die Membrane 12, so dass die Aussenkante der Membrane längs ihres Umfanges starr befestigt ist. Während der Rand 14 und die Membrane 12 aus getrennten Teilen bestehen können, ist das Verfahren zur Herstellung einer einstückigen Konstruktion weniger kostspielig und mit weniger Arbeitsschritten verbunden.
Es ist hervorzuheben, dass ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung die Wellenleiter-Schleife 18 ist, die wie ein optischer Resonator wirkt und dass die in Resonanz schwingenden Frequenzen in diesem optischen Resonator sich in Abhängigkeit vom Druck ändern, der auf den Druckwandler 10 wirkt. An dieser Stelle mag es hilfreich sein, die Theorie und Arbeitsweise eines optischen Drucksensors gemäss der Erfindung zu erläutern. Es wird in diesem Zusammenhang auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Die Wellenleiter-Schleife 18 ist, wie bereits erwähnt, ein verlustarmer, für eine Schwingungsart ausgelegter, rechteckiger Wellenleiter. Die Wellenleiter-Schleife wird durch eines der bekannten Verfahren, beispielsweise durch Ionenimplantation hergestellt. Jede in Resonanz schwingende Frequenz, die sich in der Wellenleiter-Schleife 18 fortpflanzt, wird in zwei eng benachbarte Frequenzen aufgespalten, die den Schwingungsarten der niedrigsten Ordnung entsprechen, die im rechten Winkel und parallel zur breiten Abmessung des Wellenleiters polarisiert sind. Die Trennung zwischen diesen Frequenzen ändert sich mit dem Druck aufgrund der belastungsabhängigen Doppelbrechung. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Resonanzschleife in einer Weise wirkt, die ähnlich einem optischen Filter mit einem kammförmigen Frequenzspektrum mit einer Folge von Durchlassbereichen bzw. Durchlassbändern ist, die auf die Resonanzfrequenzen zentriert sind, wie dies aus folgender Beziehung hervorgeht:
fa,b = N c/(na,bL) N = 1,2 ... (1)
wobei na und nb die Brechungsindizes der Phasen für die rechtwinklige bzw. parallele Schwingungsart sind, L der Umfang des Ringes und N die Resonanzordnung ist. Eine symmetrische, gleichförmig verteilte Last, welche auf die Membrane einwirkt, belastet die Schleife und verschiebt hierdurch die Durchlassbereiche bzw. die Durchlassbänder. Die Änderung der Resonanzfrequenzen 8fa und 8fb wird sowohl durch die radiale Spannung Er als auch durch die tangentiale Spannung Ee bestimmt. Es gibt zwei Ursachen für die Änderung der Länge des optischen Weges. Die eine Ursache liegt in der Änderung des Umfanges des Ringes und die andere Ursache beruht auf der lastabhängigen Doppelbrechung:
Sfa/f = —(s0 + 8na/n) (2)
5fb/f = -(Ee + Snb/n) (3)
wobei f = fa = fb n = na = nb
Die Änderung des Brechungsindex ist auf die rechtwinkligen pa und parallelen pb spannungsoptischen Konstanten der Wellenleiter-Schleife bezogen. Es gilt folgende Beziehung:
8na/n = (-n2/2) • pa(sr + Ee) (4)
8nb/n = (—n2/2) • (phsr + pae0) (5)
Die einfache Plattentheorie zeigt, dass die Oberflächenspannung in der Membran 12 durch folgende Gleichung wiedergegeben werden kann:
er = — [1—3(r/a)2] (7)
32 D
wobei
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
667 735
4
Et3
D = — = Biegesteifigkeit
12 (1—v )
t = Dicke der Membran
E = Elastizitätsmodul v = Poissonsche Zahl (Querdehnungsziffer).
Die spannungsoptischen Konstanten für geschmolzenes Siliziumdioxyd in der Wellenleiter-Schleife 18 betragen:
Pb = 0.126 pa = 0.27
Wenn diese Werte verwendet und die Gleichungen (6) und (7) für die Spannungen in die Gleichungen (2) und (3) eingesetzt werden, kann man einen Näherungswert für die Frequenzversetzung einer jeden Schwingungsart und der sich hieraus ergebenden Frequenzdifferenz erzielen.
Sfa/f = -C-[0.426+ 0.148(r/a)2] (8)
Sfb/f' = -C- [0.579—0.311(r/a)2] (9)
A/f = C- [0.153—0.459(r/a)2] (10)
wobei
, , Pa^
C = (1/E (3/8) (1—v ) P (a/t)2 = (11)
32D
Die normalisierte Frequenzversetzung A/(fC) ist als eine Funktion von (r/a) im Diagramm der Fig. 4 abgetragen. Die Lage der Wellenleiter-Schleife 18 und das Dickenverhältnis (r/a) sollten so gewählt werden, dass die Versetzung A der Differentialfrequenz die Hälfte des freien spektralen Bereiches Afr zwischen den Schwingungsart-Ordnungen des Filters mit dem kammförmigen Frequenzspektrum nicht überschreitet, jedoch ausreichend gross ist, um ein ausreichendes Verhältnis von Signal zu Rauschen zu erzielen. Wenn beispielsweise
E = 7,17288 X 1010Pa v = 0.17, a/t = 4 dann
C = 5.6 x IO-7 P und
Afr = c/ (n2jir) = 3.3 X 109(r/l cm)"1 Hz (12)
f = cA = 3xl014Hz (13)
dann
A/Afr = 7.8 x 10~3(a/l cm) (r/a)
(0.06897- 105P/lPa)[l-3(r/a)2] (14)
Wenn a = 0.5 cm und P = 6,897-105 Pa ist, kann die Bedingung | A | < A fr/2 dadurch erfüllt werden, dass die Wellenleiter-Schleife 18 bei r/a < 0.9 örtlich festgelegt wird. Für das grösste Verhältnis von Signal zu Rauschen sollte der Wert r/a in der Nähe der maximal zulässigen Grenze festgelegt werden. Für a = 1/2 cm und r/a = 0.85 beträgt der freie spektrale Bereich 8.19 GHz, während die maximale Versetzung der Diffe-renzialfrequenz bei einem Druck von 6,897-105 Pa -3.0 GHz beträgt.
Die Breite einer einzigen Zeile ôf' wird durch die «Feinheit»
des Resonators bestimmt, die sich durch folgende Gleichung ausdrücken lässt.:
F = Afr/Sf' (15)
Wenn K der Wirkungsgrad des Energieanschlusses an der Eingangs- und Ausgangsseite des Druckwandlers ist, / der Anschlussverlust und y die Dämpfung des Wellenleiters (in Dezibel pro Längeneinheit) ist, dann ergibt sich
7t(l-K-/)1/2 exp (—7try/8.68)
F = ! — (16)
l-(l-K-Z) exp (—2nry/8.68)
Die höchste Durchlässigkeit in der Mitte eines Durchgangsbereiches bzw. eines Durchgangsbandes beträgt
K2 exp (—27try/8.68)
T = (17)
[1—(1—K—/) exp (—2oty/8.68)]2
Wenn die Dämpfung im Ringresonator 18 bei 0.01 dB/cm liegt und der Wirkungsgrad des Energieanschlusses sowie der Anschlussverlust am Eingang und Ausgang des Wandlers 1% betragen, während r = 0.4 cm, K = 1%, / = 1% ist, dann ergibt sich für F = 136 und für T = 0.19. Die Breite eines jeden Durchlassbereiches bzw. Durchlassbandes beträgt bei diesen Parametern etwa 60 MHz. Die Nulldruck-Trennung zwischen den Zeilen ist eine Funktion der Abmessungen und der numerischen Öffnung des eingebetteten Wellenleiters. Die Nulldruck-Trennung kann mindestens eine Grössenordnung grösser als die Zeilenbreite gemacht werden. Wenn beispielsweise die numerische Öffnung 0.1 beträgt und der Wellenleiter ein Längen/Sei-ten-Verhältnis von 2:1 hat, dann ergibt sich fa—fb ~ 500 MHz. Die optische Quelle 32 und der Frequenz-Detektor 34 sollen eine ausreichende Bandbreite haben, um mindestens die maximal erwartete gesamte Trennung zwischen den Bändern zu umfassen. Dies bedeutet eine Bandbreite, welche die Nulldruck-Trennung plus die druckabhängige Komponente umfasst.
Die Wellenleiter-Schleife 18 wählt die vorstehend beschriebenen Resonanzzeilen aus dem Breitbandeingang aus und führt sie dem Detektor 34 zu. Viele Paare derartiger Zeilen können aus einer Quelle mit einer grossen Bandbreite entstehen, wobei jedes Zeilenpaar im wesentlichen die oben angegebene Frequenztrennung aufweist. Der Detektor 34 kann eine Photodiode sein, welche die einfallenden optischen Zeilen mischt und ein elektrisches Ausgangssignal liefert, welches diese Trennfrequenz enthält. Je nach Wunsch kann ein elektronischer Spek-tralanalysator oder ein Frequenzmesser 35 vorgesehen sein, der entsprechend gefiltert ist, um die Frequenz ausserhalb des interessierenden Bereiches zu entfernen. Der Frequenzmesser 35 kann dann direkt die Trennfrequenz messen, die proportional dem Druck ist, wie dies im vorstehenden beschrieben wurde.
Ein besonders wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung liegt darin, dass die Druckmessungen mit Hilfe des Druckwandlers 10 im wesentlichen von Temperaturschwankungen unabhängig sind. Obgleich die Wärmedehnung den Umfang der Wellenlei-ter-Schleife 18 beträchtlich ändern kann, wirkt diese Änderung in gleicher Weise auf die beiden Polarisationen, so dass beide in Resonanz schwingende Frequenzen, die sich in der Wellenleiter-Schleife 18 fortpflanzen, im wesentlichen um den gleichen Betrag versetzt werden. Dies bedeutet, dass jede Versetzung der Differenzialfrequenz von der Änderung der Temperatur unabhängig ist und immer noch in erster Linie der Änderung des angelegten Druckes proportional ist. Es wird eingeräumt, dass der Elastizitätsmodul des Materials für den Druckwandler bekann-termassen in einer geringen Abhängigkeit von der Temperatur steht. So lange jedoch der Temperaturbereich während des Einsatzes des Druckwandlers 10 nicht unmässig gross ist, kann im-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
5
667 735
mer noch eine annehmbare Genauigkeit aufrecht erhalten bleiben.
Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung der erfin-dungsgemässen Membran 12 bekannt. Wie im vorstehenden erwähnt worden ist, kann der Träger aus einem verlustarmen Glas aus Alkalisilikat, wie beispielsweise Natriumsilikat, hergestellt werden. Der Resonatorring 18 sowie der Eingangs-Wellenleiter 20 und der Ausgangs-Wellenleiter 26 können durch Techniken mit Ionenaustausch hergestellt werden, indem eine lichtbeständige Abdeckung der Austauschseite der Membran 12 mit Ausnahme des Austauschfensters verwendet wird. Das Abdeckmaterial soll undurchlässig für den Austausch von Kationen sein und dem Temperaturaustausch widerstehen. Typische Abdeckmaterialien sind Aluminium und Nickel. Die mit einer Abdeckung versehene Membran 12 wird in einen geschmolzenen Elektrolyten eingetaucht, welcher die gewünschten Kationen enthält. Der Ionenaustausch wird dadurch herbeigeführt, dass ein geeignetes Potential an zwei Elektroden angelegt wird, die in den geschmolzenen Elektrolyten mit der Membran eingetaucht sind. Nach dem Ionenaustausch kann die maskenartige Abdeckung in einer Säure gelöst werden.
Obgleich der optische Drucksensor der vorliegenden Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gezeigt und beschrieben worden ist, liegt es für einen Durchschnittsfachmann auf der Hand, dass verschiedene Änderungen in der
Form und Einzelgestaltung der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Wellenleiter-Schleife 18 auf der Stirnseite des Druckwandlers 10 ist nach der Darstellung in der Zeichnung 5 koaxial auf der Membran 12 angeordnet. Die Wellenleiter-Schleife 18 kann jedoch in jeder beliebigen Lage auf der Stirnfläche angeordnet sein, solange eine ausreichende, lastabhängige Doppelbrechung in der Wellenleiter-Schleife 18 erfolgt, um eine messbare Versetzung der in Resonanz schwingenden Fre-lo quenzen zu erzielen.
Der Querschnitt der Wellenleiter-Schleife 18 braucht nicht rechteckig zu sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der Querschnitt der Wellenleiter-Schleife kann jede beliebige Form haben, solange eine unterschiedliche Resonanzfrequenz für jede 15 unabhängige Polarisation der optischen Energie in der Wellen-leiter-Schleife vorhanden ist. Die Wellenleiter-Schleife kann auch aus einer polarisierenden, druckempfindlichen, optischen Faser hergestellt sein, die an der Oberfläche der Membran befestigt ist. Der Eingang und der Ausgang der optischen Energie 20 braucht nicht über sehnenartige Eingangs- und Ausgangs-Wel-lenleiter 20 und 26 auf der Stirnseite 16 des Druckwandlers 10 zu erfolgen. Die optische Energie kann zur und von der Wellenleiter-Schleife 18 auch durch andere Einrichtungen, wie beispielsweise Prismen geführt werden, die in unmittelbarer Nähe 25 der Oberseite der Wellenleiter-Schleife angeordnet sind.
v
2 Blätter Zeichnungen
Claims (7)
- 667 7352PATENTANSPRÜCHE1. Vorrichtung zum Überwachen und Messen von Drücken, mit einer druckempfindlichen Einrichtung mit einer Membrane (12) im Innern einer starren Umrandung (14) und einem auf einer Stirnseite (16) angeordneten optischen Weg (18), wobei die Membrane unter Druck verformbar ist, um eine druckabhängige Belastung im optischen Weg hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Weg eine Wellenleiter-Schlei-fe (18) umfasst, wobei die Belastung eine Doppelbrechung in der Wellenleiter-Schleife (18) hervorruft; dass eine optische Eingangs-Einrichtung (20) in unmittelbarer Nähe der Wellenleiter-Schleife (18) angeordnet ist und die Lichtenergie der Wellenleiter-Schleife (18) zuführt; und, dass eine optische Ausgangs-Einrichtung (26) ebenfalls in unmittelbarer Nähe der Wellenleiter-Schleife (18) angeordnet ist und einen Teil der Lichtenergie aus der Wellenleiter-Schleife (18) abführt; wobei eine Veränderung der Frequenzdifferenz im spektralen Frequenzbereich der in der Wellenleiter-Schleife in Resonanz schwingenden Lichtenergie als Folge der druckabhängigen Doppelbrechung erfolgt, die proportional dem auf die Membrane (12) wirkenden Druck ist.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs-Einrichtung einen Eingangs-Wellenleiter (20) aufweist, der auf einer Stirnseite der druckempfindlichen Einrichtung ausgebildet ist, und dass der Eingangs-Wellenleiter (20) tangential zur Wellenleiter-Schleife (18) angeordnet ist, mit einem Punkt (24), durch den die optische Energie der Wellenleiter-Schleife (18) zugeführt wird.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Superstrahldiode (32), die eine nicht kohärente Breitbandquelle der optischen Energie darstellt und mit der Eingangs-Einrichtung (20) zusammenarbeitet.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangs-Einrichtung einen Ausgangs-Wellenleiter (26) aufweist, welcher auf der einen Stirnseite der druckempfindlichen Einrichtung ausgebildet ist und tangential an der Wellenleiter-Schleife (18) angeordnet ist, mit einem Punkt (28) durch den ein Teil der optischen Energie von der Wellenleiter-Schleife (18) abgeführt wird.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Frequenz-Detektor (34), welcher die aus der Wellenleiter-Schleife (18) abgeführte Lichtenergie empfängt und die spektrale Verteilung der empfangenen optischen Energie analysiert, um eine Differenzfrequenz zu erfassen, die mit der Versetzung der Differenzialfrequenz verbunden ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs-Einrichtung (20) eine Quelle optischer Energie umfasst und, dass die Ausgangseinrichtung eine Frequenzdetektorvorrichtung umfasst, die zur Aufnahme der aus der Wellenleiter-Schleife (18) abgeführten Lichtenergie angeordnet ist.
- 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (12) und die starre Umrandung (14) aus einem Stück sind.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/565,496 US4577100A (en) | 1983-12-27 | 1983-12-27 | Temperature compensated optical pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH667735A5 true CH667735A5 (de) | 1988-10-31 |
Family
ID=24258867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH4370/84A CH667735A5 (de) | 1983-12-27 | 1984-09-13 | Vorrichtung zum ueberwachen und messen von druecken. |
Country Status (17)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4577100A (de) |
| JP (1) | JPS60142226A (de) |
| KR (1) | KR930003546B1 (de) |
| AU (1) | AU572189B2 (de) |
| BE (1) | BE900681A (de) |
| CA (1) | CA1220048A (de) |
| CH (1) | CH667735A5 (de) |
| DE (1) | DE3432989A1 (de) |
| DK (1) | DK461784A (de) |
| ES (1) | ES8605896A1 (de) |
| FR (1) | FR2557293B1 (de) |
| GB (1) | GB2147412B (de) |
| IL (1) | IL72874A (de) |
| IT (1) | IT1175757B (de) |
| NL (1) | NL8402801A (de) |
| SE (1) | SE451279B (de) |
| ZA (1) | ZA846885B (de) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4775214A (en) * | 1983-12-21 | 1988-10-04 | Rosemount Inc. | Wavelength coded resonant optical sensor |
| HU196259B (en) * | 1984-09-06 | 1988-10-28 | Almasine Barsi Erzsebet | Optoelktromechanical measuring transducer |
| GB8427744D0 (en) * | 1984-11-02 | 1996-11-13 | Plessey Co Plc | Improvements in or relating to hydrophones |
| US4782492A (en) * | 1986-05-05 | 1988-11-01 | Polaroid Corporation | Thermally controllable optical devices and system |
| US4733561A (en) * | 1986-07-21 | 1988-03-29 | The Foxboro Company | Self-oscillating, optical resonant sensor |
| US4725728A (en) * | 1986-08-13 | 1988-02-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Fiber optical time delay resonant oscillating strain gauge |
| US4770492A (en) * | 1986-10-28 | 1988-09-13 | Spectran Corporation | Pressure or strain sensitive optical fiber |
| US5020379A (en) * | 1986-10-30 | 1991-06-04 | The Babcock & Wilcox Company | Microbend fiber optic strain gauge |
| US4794800A (en) * | 1987-10-01 | 1989-01-03 | General Dynamics Corporation | Wire sensing and measurement apparatus |
| US4891511A (en) * | 1988-08-31 | 1990-01-02 | The Babcock & Wilcox Co. | Fiber optic microbend sensor with braided fibers |
| US4904863A (en) * | 1988-11-25 | 1990-02-27 | Loral Corporation | Polarimetric optical fiber pressure sensor |
| US4959539A (en) * | 1989-03-20 | 1990-09-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Flexural disk fiber optic hydrophone |
| US4988862A (en) * | 1989-09-27 | 1991-01-29 | Ford Motor Company | Optical occupant restraint activation sensor |
| US4996419A (en) * | 1989-12-26 | 1991-02-26 | United Technologies Corporation | Distributed multiplexed optical fiber Bragg grating sensor arrangeement |
| US5196694A (en) * | 1991-05-13 | 1993-03-23 | The Babcock & Wilcox Company | Temperature compensated self-referenced fiber optic microbend pressure transducer |
| US5258614A (en) * | 1991-05-13 | 1993-11-02 | The Babcock & Wilcox Company | Optical fiber loop temperature sensor |
| US5187983A (en) * | 1991-09-04 | 1993-02-23 | Universite Du Quebec A Hull | Fiber-optic strain gauge manometer |
| US5377285A (en) * | 1993-02-11 | 1994-12-27 | Honeywell Inc. | Technique for making ultrastable ring resonators and lasers |
| US5448586A (en) * | 1993-09-20 | 1995-09-05 | At&T Corp. | Pumping arrangements for arrays of planar optical devices |
| US5396805A (en) * | 1993-09-30 | 1995-03-14 | Halliburton Company | Force sensor and sensing method using crystal rods and light signals |
| US6016702A (en) * | 1997-09-08 | 2000-01-25 | Cidra Corporation | High sensitivity fiber optic pressure sensor for use in harsh environments |
| US6522797B1 (en) | 1998-09-01 | 2003-02-18 | Input/Output, Inc. | Seismic optical acoustic recursive sensor system |
| DE10024588A1 (de) * | 2000-05-19 | 2001-11-22 | Endress Hauser Gmbh Co | Vorrichtung zur Bestimmung bzw. zur Überwachung des Drucks oder Differenzdrucks zumindest eines Prozeßmediums |
| DE10114635A1 (de) * | 2001-03-23 | 2002-09-26 | Bernhard Trier | Drucksensor |
| GB2466929A (en) * | 2009-01-09 | 2010-07-14 | Smart Fibres Ltd | Pressure sensor device comprising flexible diaphragm with integral optical sensor |
| GB2558963A (en) * | 2017-01-18 | 2018-07-25 | Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd | Flexible membrane |
| KR102703791B1 (ko) | 2023-06-14 | 2024-09-06 | 주식회사 폴리웍스 | 압력센서와 온도센서가 결합된 필름형 복합센서 |
Family Cites Families (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3517560A (en) * | 1965-03-23 | 1970-06-30 | North American Rockwell | Accelerometer |
| US3786681A (en) * | 1971-03-04 | 1974-01-22 | Sci Systems Inc | Electromagnetic wave modulation and measurement system and method |
| US3725809A (en) * | 1971-04-05 | 1973-04-03 | Bell Telephone Labor Inc | Dielectric ring lasers using waveguiding |
| US3949320A (en) * | 1974-11-29 | 1976-04-06 | Massachusetts Institute Of Technology | Miniature crystalline laser |
| US4071753A (en) * | 1975-03-31 | 1978-01-31 | Gte Laboratories Incorporated | Transducer for converting acoustic energy directly into optical energy |
| US4295738A (en) * | 1979-08-30 | 1981-10-20 | United Technologies Corporation | Fiber optic strain sensor |
| DE3142164A1 (de) * | 1980-10-27 | 1982-06-16 | Rosemount Engineering Co. Ltd., Bognor Regis, Sussex | Vorrichtung zur messung von druckunterschieden |
| JPS5819528A (ja) * | 1981-07-28 | 1983-02-04 | Shimadzu Corp | 光圧力センサ |
| ES518632A0 (es) * | 1981-12-16 | 1984-01-16 | Polaroid Corp | Perfeccionamientos en filtros de cavidad resonante opticos. |
| US4466295A (en) * | 1982-09-20 | 1984-08-21 | Trw Inc. | Photoelastic sensing means |
| US4519252A (en) * | 1983-03-21 | 1985-05-28 | Sperry Corporation | Pressure and temperature compensated photoelastic hydrophone |
| JPS63115214U (de) * | 1987-01-21 | 1988-07-25 | ||
| JP3295445B2 (ja) * | 1991-12-06 | 2002-06-24 | 富士通株式会社 | スピンナ及びそれを用いた半導体装置の製造方法 |
| JPH07240360A (ja) * | 1994-03-01 | 1995-09-12 | Fujitsu Ltd | 薬液塗布装置 |
| JP2977440B2 (ja) * | 1994-03-17 | 1999-11-15 | 大日本スクリーン製造株式会社 | 吸引チャック式基板回転処理装置 |
| JP3502959B2 (ja) * | 1994-12-19 | 2004-03-02 | 日東電工株式会社 | 吸着固定に用いる多孔質シートおよび該多孔質シートを用いる吸着固定方法 |
| KR19990028074A (ko) * | 1997-09-30 | 1999-04-15 | 윤종용 | 반도체장치 제조설비의 척조립체 |
| JPH11145263A (ja) * | 1997-11-07 | 1999-05-28 | Tokyo Electron Ltd | 処理装置 |
| JP2000254857A (ja) * | 1999-01-06 | 2000-09-19 | Tokyo Seimitsu Co Ltd | 平面加工装置及び平面加工方法 |
| JP4476595B2 (ja) * | 2003-10-23 | 2010-06-09 | 太平洋セメント株式会社 | 真空吸着用治具 |
| JP5291039B2 (ja) * | 2010-03-31 | 2013-09-18 | 大日本スクリーン製造株式会社 | 基板保持回転装置および基板処理装置 |
| JP5554617B2 (ja) * | 2010-04-12 | 2014-07-23 | 株式会社ディスコ | 保持テーブル |
| JP5888935B2 (ja) * | 2011-10-28 | 2016-03-22 | 株式会社ディスコ | 保持テーブル |
| JP5913162B2 (ja) * | 2012-04-04 | 2016-04-27 | 東京エレクトロン株式会社 | 基板保持装置および基板保持方法 |
-
1983
- 1983-12-27 US US06/565,496 patent/US4577100A/en not_active Expired - Lifetime
-
1984
- 1984-07-19 CA CA000459286A patent/CA1220048A/en not_active Expired
- 1984-09-03 GB GB08422229A patent/GB2147412B/en not_active Expired
- 1984-09-03 ZA ZA846885A patent/ZA846885B/xx unknown
- 1984-09-05 IL IL72874A patent/IL72874A/xx unknown
- 1984-09-07 DE DE19843432989 patent/DE3432989A1/de active Granted
- 1984-09-13 CH CH4370/84A patent/CH667735A5/de not_active IP Right Cessation
- 1984-09-13 AU AU33016/84A patent/AU572189B2/en not_active Ceased
- 1984-09-13 NL NL8402801A patent/NL8402801A/nl not_active Application Discontinuation
- 1984-09-21 ES ES536113A patent/ES8605896A1/es not_active Expired
- 1984-09-26 JP JP59201404A patent/JPS60142226A/ja active Granted
- 1984-09-26 SE SE8404824A patent/SE451279B/sv not_active IP Right Cessation
- 1984-09-26 BE BE0/213724A patent/BE900681A/fr not_active IP Right Cessation
- 1984-09-27 DK DK461784A patent/DK461784A/da not_active Application Discontinuation
- 1984-09-28 FR FR8414907A patent/FR2557293B1/fr not_active Expired
- 1984-09-28 IT IT22903/84A patent/IT1175757B/it active
- 1984-09-28 KR KR1019840006024A patent/KR930003546B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ZA846885B (en) | 1985-04-24 |
| ES536113A0 (es) | 1986-04-01 |
| DK461784A (da) | 1985-06-28 |
| DK461784D0 (da) | 1984-09-27 |
| SE8404824D0 (sv) | 1984-09-26 |
| IL72874A0 (en) | 1984-12-31 |
| AU3301684A (en) | 1985-07-04 |
| CA1220048A (en) | 1987-04-07 |
| IT8422903A0 (it) | 1984-09-28 |
| JPH0319497B2 (de) | 1991-03-15 |
| IT1175757B (it) | 1987-07-15 |
| SE8404824L (sv) | 1985-06-28 |
| KR930003546B1 (ko) | 1993-05-03 |
| KR850005083A (ko) | 1985-08-21 |
| JPS60142226A (ja) | 1985-07-27 |
| GB2147412B (en) | 1987-06-03 |
| IL72874A (en) | 1988-09-30 |
| SE451279B (sv) | 1987-09-21 |
| DE3432989C2 (de) | 1993-04-01 |
| DE3432989A1 (de) | 1985-07-04 |
| FR2557293B1 (fr) | 1987-03-20 |
| NL8402801A (nl) | 1985-07-16 |
| US4577100A (en) | 1986-03-18 |
| ES8605896A1 (es) | 1986-04-01 |
| FR2557293A1 (fr) | 1985-06-28 |
| BE900681A (fr) | 1985-01-16 |
| GB8422229D0 (en) | 1984-10-10 |
| AU572189B2 (en) | 1988-05-05 |
| GB2147412A (en) | 1985-05-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CH667735A5 (de) | Vorrichtung zum ueberwachen und messen von druecken. | |
| DE69521971T2 (de) | Optisches Mikrosystem des Typs Rosettenspannungslehre mit dielektrischen Leitern zur Messung der longitudinalen Spannung in Planarstruktur | |
| DE69507635T2 (de) | Schutzschichtentfernungsdetektion für optische faser mit bragg-gitter | |
| DE69513937T2 (de) | Verfahren zum Messen und Detektieren physikalischer Grössen unter Verwendung eines Mehrpunktsensors | |
| DE69414011T2 (de) | Diagnostisches system fur fibergittersensoren | |
| DE112014004544B4 (de) | FBG-Sensor zur Messung maximaler Dehnung, Herstellungsverfahren und Verwendungsverfahren | |
| EP1190262B1 (de) | Bragg-gitter-vorrichtung zur messung einer beschleunigung | |
| EP3376196A1 (de) | Schienenmesssystem | |
| EP0487450A2 (de) | Verfahren und Einrichtungen zur faseroptischen Kraftmessung | |
| CH671099A5 (de) | ||
| WO2002033374A1 (de) | Anisotroper faserlaser-sensor mit verteilter rückkopplung | |
| EP1899700A1 (de) | Optischer dehnungsmesstreifen | |
| DE19724528A1 (de) | Temperaturkompensiertes faseroptisches Bragg-Gitter | |
| DE60214852T2 (de) | Differenzmesssystem auf der basis der benutzung von paaren von bragg-gittern | |
| DE60117446T2 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Restspannung und des photoelastischen Effekts von optischen Fasern | |
| EP0342192A1 (de) | Optischer kraftmess-sensor. | |
| DE69311327T2 (de) | Mikrotechnologisch hergestellter sensor | |
| EP0554211A2 (de) | Verfahren zur faseroptischen Kraftmessung | |
| DE2616377A1 (de) | Verfahren zur kontinuierlichen erzeugung von wellen kohaerenter anti-stokes- schwingungsspektren | |
| WO2018115486A1 (de) | Faseroptischer beschleunigungssensor mit hebelarm | |
| DE3621669C2 (de) | ||
| EP1499859A1 (de) | Hochaufl sender faserlaser-sensor | |
| DE69414070T2 (de) | Differential Druckwandler | |
| EP0579905B1 (de) | Faseroptischer Depolarisator | |
| DE3923831C2 (de) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |