DD238674A1

DD238674A1 - optical fiber sensor

Info

Publication number: DD238674A1
Application number: DD27762385A
Authority: DD
Inventors: Ruediger Poehlmann; Guenter Schwotzer
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1986-08-27
Also published as: DD238674B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtleitfasersensor, der als Refraktometer und zur Temperaturmessung Verwendung findet. Die Aufgabe der Erfindung einen Lichtleitfasersensor anzugeben, dessen Kruemmung, die den sensorischen Bereich darstellt, fixiert und zugleich mechanisch effektiv geschuetzt ist wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass der Lichtwellenleiter in einem die Kruemmung des Lichtwellenleiters im sensorischen Bereich bestimmenden Rohr angeordnet ist und zumindest der sensorische Bereich des Lichtwellenleiters von einem im optischen Brechungsindex an den des Lichtwellenleiters angepassten Medium umgeben ist. Fig. 1The invention relates to an optical fiber sensor, which is used as a refractometer and for temperature measurement. The object of the invention to provide a Lichtleitfasersensor, the Krruemmung, which represents the sensory area, fixed and at the same time mechanically effectively protected is inventively achieved by the fact that the optical waveguide is arranged in a crimping of the optical waveguide in the sensory area determining tube and at least the sensory area of the optical waveguide is surrounded by a matched in the optical refractive index of the optical waveguide medium. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitfasersensor, der sowohl als Refraktometer als auch zurTemperaturmessung Verwendung findet.The invention relates to an optical fiber sensor which is used both as a refractometer and for temperature measurement.

Characteristic of the known technical solutions

Lichtleitfasersensoren zur Bestimmung des Brechungsindexes bzw. damit zusammenhängender physikalischer Größen, wie z.B. der Temperatur bzw. der Konzentration von Flüssigkeiten sind bekannt. So ist in US-PS 4187025 und EP 0000319 ein Sensortyp beschrieben, bei dem die Lichtleitfaser durch Entmanteln und Krümmen in einem kurzen Bereich sensorisch wirksam gemacht wird, wobei die optische Transmission der Lichtleitfaser empfindlich von der optischen Brechzahl der Umgebung dieses sensorischen Bereiches abhängt. Die Krümmung kann U-förmig oder auch aus mehreren alternierenden Krümmungen zusammengesetzt sein. Ein solcherart aufgebauter Sensor weist allerdings eine hohe mechanische Verletzbarkeit sowohl bei der Herstellung der Krümmung und des Sensors, als auch bei seiner Benutzung auf. Dasselbe trifft auf Temperatursensoren, die gemäß SU 859838 aufgebaut sind zu. In DE-OS 3321 203 ist die zur Messung verwendete Lichtleitfaser auf einem Trägerkörper befestigt. Diese Maßnahme beseitigt die mechanische Verletzbarkeit jedoch nicht, sondern verringert sie lediglich. Desweiteren kann es durch die Art der Befestigung auf dem Trägerkörper infolge chemischer Einflüsse und thermischer Spannungen, sowie bei Temperaturmessungen in aggressiven Medien zu Veränderungen der Transmissionseigenschaften der Lichtleitfaser kommen, die die Meßwerte verfälschen.Optical fiber sensors for determining the refractive index or related physical quantities, e.g. the temperature or the concentration of liquids are known. Thus, US Pat. No. 4,187,025 and EP 0000319 describe a sensor type in which the optical fiber is rendered sensory by stripping and bending in a short region, the optical transmission of the optical fiber being sensitive to the optical refractive index of the environment of this sensory region. The curvature may be U-shaped or composed of several alternating curvatures. However, a sensor constructed in this way has a high mechanical vulnerability both in the production of the curvature and the sensor, as well as in its use. The same applies to temperature sensors constructed in accordance with SU 859838. In DE-OS 3321 203, the optical fiber used for the measurement is mounted on a carrier body. However, this measure does not eliminate the mechanical vulnerability but merely reduces it. Furthermore, as a result of the type of fastening on the carrier body as a result of chemical influences and thermal stresses, as well as in temperature measurements in aggressive media, changes in the transmission properties of the optical fiber can occur, which falsify the measured values.

Object of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, einen Lichtleitfasersensor anzugeben, der leicht und reproduzierbar herstellbar ist und in seiner Handhabung robust und gegenüber aggressiven Medien im Rahmen von Temperaturmessungen unempfindlich ist.It is the object of the invention to provide an optical fiber sensor which can be produced easily and reproducibly and is robust in its handling and insensitive to aggressive media in the context of temperature measurements.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgab« zugrunde, einen Lichtleitfasersensor anzugeben, dessen Krümmung, die den sensorischen Bereich darstellt, fixiert und zugleich mechanisch effektiv geschützt ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Lichtwellenleiter in einem die Krümmung des Lichtwellenleiters im sensorischen Bereich des Lichtwellenleiters bestimmenden Rohr angeordnet ist und zumindest der sensoriche Bereich des Lichtwellenleiters von einem im optischen Brechungsindex an den des Lichtwellenleiters angepaßten Medium umgeben ist. Entsprechend der Verwendung des Lichtwellenleiters zur Bestimmung des Brechungsindexes flüssiger Medien ist das Rohr konstruktiv derart ausgestaltet, daß das den Lichtwellenleiter umgebende Medium austauschbar ist. Im Falle des Einsatzes des Lichtleitfasersensors zurThe object of the invention is to specify an optical fiber sensor whose curvature, which represents the sensory area, is fixed and simultaneously mechanically effectively protected. According to the invention the object is achieved in that the optical waveguide is arranged in a the curvature of the optical waveguide in the sensory region of the optical waveguide determining tube and at least the sensoriche range of the optical waveguide is surrounded by a matched in the optical refractive index of the optical waveguide medium. According to the use of the optical waveguide for determining the refractive index of liquid media, the tube is constructed in such a way that the medium surrounding the optical waveguide is exchangeable. In the case of the use of the optical fiber sensor for

Temperaturbestimmung des umgebenden Mediums ist das Rohr dauerhaft mit einem den Lichtwellenleiter zumindest im sensorischen Bereich umgebenden Medium verfüllt. Hierfür sind Flüssigkeiten oder verfestigbare Polymere geeignet. Der Krümmungsradius des erfindungsgemäß eingesetzten Rohres und damit der Krümmungsradius der Lichtleitfaser wird entsprechend dem angestrebten Meßbereich und der gewünschten Empfindlichkeit festgelegt. Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, den Krümmungsradius nicht nur U-förmig auszubilden, sondern beliebig, also bspw. S-förmig oder spiralförmig zu gestalten. Ein besonderer herstellungsbedingter Vorteil, der zugleich den Schutz der Lichtleitfaser vor negativen Einflüssen, wie z.B. mechanischer Verletzung und Verspannung sowie Korrosion bedingt, die bei der zu ihrer Krümmungsherstellung notwendigen Erhitzung (z. B. in der Flamme) nach dem üblichen Stand der Technik entstehen, liegt darin, daß bei Verwendung von Rohren und Lichtwellenleitern aus demselben Material, also mit analogen Erweichungspunkten die Krümmungsradien von Rohr und Lichtwellenleiter zugleich hergestellt werden und der Lichtwellenleiter selbst nicht mehr einer zur Erweichung eingesetzten Heizquelle in Berührung kommt. Insbesondere findet gemäß der Erfindung Quarzglas für Rohr und Lichtleitfaser Verwendung.Temperature determination of the surrounding medium, the tube is permanently filled with a surrounding the optical waveguide at least in the sensory area medium. For this purpose, liquids or solidifiable polymers are suitable. The radius of curvature of the pipe used according to the invention and thus the radius of curvature of the optical fiber is determined according to the desired measuring range and the desired sensitivity. It is also within the scope of the invention to form the radius of curvature not only U-shaped, but arbitrary, so for example. S-shaped or spiral shape. A special manufacturing advantage, which at the same time protects the optical fiber against negative influences, such as. Mechanical injury and stress as well as corrosion caused by the heating required for their curvature production (eg in the flame) according to the usual state of the art, is that when using tubes and optical fibers of the same material, ie with analog Softening points the radii of curvature of the tube and optical waveguide are produced at the same time and the optical waveguide itself no longer comes into contact with a heat source used for softening. In particular, quartz glass according to the invention is used for pipe and optical fiber.

embodiment

Zur weiteren Erläuterung der Anordnung sollen folgende Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden. Beiliegende Figuren zeigen dabeiTo further explain the arrangement, the following embodiments will be described in detail. Enclosed figures show

Fig. 1: einen refraktometrischen Lichtwellenleiter in einem Rohr zur Temperarturmessung und Fig.2: einen refraktometrischen Lichtwellenleiterin einem Rohr zur Brechzahimessung.1 shows a refractometric optical waveguide in a tube for measuring the temperature and FIG. 2 shows a refractometric optical waveguide in a tube for measuring the refractive index.

Im ersten Ausführungsbeispiel wird dabei Licht einer geeigneten Lichtquelle 1 in den als Zuleitung dienenden Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt und über diese Zuleitung dem sensorisch wirksamen, von seiner Umhüllung befreiten und gekrümmten Bereich 3 des Lichtwellenleiters zugeführt. Das den sensorischen Bereich durchlaufende Licht gelangt über den als Ableitung dienenden Lichtwellenleiter 4 auf den Empfänger 5. Der gekrümmte und von seiner Umhüllung befreite Bereich 3 des Lichtwellenleiters befindet sich in einem Rohr 6. Das Rohr 6 und die Lichtwellenleiterzu- 2 und -abführung 4 sind in einer Fassung 8 befestigt. Das Rohr 6 ist mit einer Substanz 7 gefüllt, deren optische Brechzahl sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert und im zumessenden Temperaturbereich kleiner als die optische Brechzahl des Lichtwellenleiters ist. Die optische Transmission der Lichtwellenleiteranordnung ist in bekannter Weise von dem Radius der Krümmung und von den Brechzahlen des Lichtwellenleiters und der ihn umgebenden Substanz abhängig und kann somit zur Temperaturmessung genutzt werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als Lichtwellenleiter eine Quarzglaslichtleitfaser mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Brechzahl von 1,46 verwendet. Der Radius der Krümmung beträgt 1 mm. Das Rohr ist ebenfalls aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 1 mm gefertigt. Die Substanz 7 besteht aus optisch transparentem Silikonkautschuk, dessen optische Brechzahl eine Temperaturabhängigkeit von 2 χ 10"⁴K"¹ bestitzt. Der Temperaturmeßbereich dieses refraktometrischen Lichtleitfasersensors reicht von -50⁰C bis +200°C. In anderen Ausführungsformen kann anstelle von Silikonkautschuk als der den Lichtwellenleiter umgebenden Substanz 7 ein anderes Polymer, eine Flüssigkeit oder auch eine anorganische Substanz gewählt sein, deren Brechzahl kleiner als die des Lichtwellenleiters und temperaturabhängig ist. Außerdem kann für den Lichtwellenleiter anstelle von Quarzglas eine Substanz gewählt werden, deren Brechzahl sich stärker mit der Temperatur ändert. Desweiteren kann das Rohr 6 auch aus einem anderen Glas, aus einem Polymer oder aus Metall gefertigt sein.In the first exemplary embodiment, light from a suitable light source 1 is coupled into the optical waveguide 2 serving as a feed line and fed via this feed line to the sensory-effective region 3 of the optical waveguide which has been freed from its cladding. The light passing through the sensory area passes via the optical waveguide 4 serving as a derivation to the receiver 5. The curved region 3 of the optical waveguide, which has been freed from its cladding, is located in a tube 6. The tube 6 and the optical waveguide 2 and outlet 4 are fastened in a socket 8. The tube 6 is filled with a substance 7 whose optical refractive index changes as a function of the temperature and is smaller than the optical refractive index of the optical waveguide in the temperature range to be measured. The optical transmission of the optical waveguide arrangement is dependent in a known manner on the radius of curvature and on the refractive indices of the optical waveguide and the substance surrounding it and can thus be used for temperature measurement. In the described embodiment, a quartz glass optical fiber with a diameter of 0.2 mm and a refractive index of 1.46 is used as the optical waveguide. The radius of curvature is 1 mm. The tube is also made of quartz glass with an inner diameter of 1 mm. The substance 7 is made of optically transparent silicone rubber whose optical refractive index χ a temperature dependence of 2 10 ^"4 K" ¹ spheric. The temperature measuring this refractometric optical fiber sensor ranges from -50 ⁰ C to + 200 ° C. In other embodiments, instead of silicone rubber as the substance 7 surrounding the optical waveguide, another polymer, a liquid or even an inorganic substance may be chosen whose refractive index is smaller than that of the optical waveguide and temperature-dependent. In addition, instead of quartz glass, a substance whose refractive index changes more with temperature can be selected for the optical waveguide. Furthermore, the tube 6 can also be made of another glass, of a polymer or of metal.

Im zweiten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Sensor zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten z. B. zum Zwecke der Konzentrationsbestimmungen von Lösungen modifiziert dargestellt. Das Rohr 6 besitzt dazu zwei Anschlußstücke 9 und ist an seinen oberen Enden oberhalb dieser Anschlußstücke mit einem Polymer z. B. Epoxidharz oder Silikonkautschuk 10 verschlossen. Anstelle der die Krümmung des Lichtwellenleiters umgebenden Substanz 7 des ersten Ausführungsbeispieles wird die zu vermessende Flüssigkeit durch die Anschlußstücke 9 zu- und abgeführt, wodurch garantiert ist, daß sie den sensorisch wirksamen gekrümmten Bereich 3 des Lichtwellenleiters umspült.In the second embodiment, the sensor according to the invention for measuring the optical refractive index of liquids z. B. for the purpose of determining the concentration of solutions modified. The tube 6 has two fittings 9 and is at its upper ends above these fittings with a polymer z. B. epoxy or silicone rubber 10 is closed. Instead of the curvature of the optical waveguide surrounding substance 7 of the first embodiment, the liquid to be measured is supplied and removed through the connecting pieces 9, whereby it is guaranteed that it flows around the sensory effective curved portion 3 of the optical waveguide.

Claims

claims:

1. Lichtleitfasersensor at least one optical waveguide containing, characterized in that the optical waveguide is disposed in a the curvature of the optical waveguide in the sensory area determining tube and at least the sensory region of the optical waveguide is surrounded by a matched in the optical refractive index of the optical waveguide medium.

2. Lichtleitfasersensor according to item 1, characterized in that the medium surrounding the optical waveguide is replaceable.

3. Lichtleitfasersensor according to item 1, characterized in that the tube is permanently filled with a surrounding the optical waveguide at least in the sensory area medium.

4. Lichtleitfasersensor according to item 1-3, characterized in that the optical waveguide and tube are made of materials of the same softening point.

5. Lichtleitfasersensor according to item 1-4, characterized in that the optical waveguide and tube are made of quartz glass.

6. Lichtleitfasersensor according to item 1 and 3, characterized in that the medium surrounding the optical waveguide is a solidified Bares polymer.

7. Lichtleitfasersensor according to item 1 and 3, characterized in that the medium surrounding the optical waveguide is a liquid.

8. Lichtleitfasersensor according to item 1 and 3, characterized in that the medium surrounding the optical waveguide is an inorganic substance.