DD285418A5 - FIBER OPTIC TEMPERATURE SENSOR - Google Patents

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DD285418A5
DD285418A5 DD33011489A DD33011489A DD285418A5 DD 285418 A5 DD285418 A5 DD 285418A5 DD 33011489 A DD33011489 A DD 33011489A DD 33011489 A DD33011489 A DD 33011489A DD 285418 A5 DD285418 A5 DD 285418A5
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crystals
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DD33011489A
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Rolf Goering
Matthias Krebs
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Friedrich-Schiller-Universitaet,Dd
Veb Elektroprojekt Und Anlagenbau,Dd
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zur Temperaturmessung. Die Erfindung ist einsetzbar, wenn Temperaturen auf nichtelektrischem Wege, z. B. in der Naehe starker elektromagnetischer Stoerfelder oder bei erhoehter Explosionsgefahr gemessen werden sollen. Der Sensor weist auch beim Einsatz breitbandiger LED hohe Empfindlichkeit auf. Er ist dadurch gekennzeichnet, dasz mit einem Sensorkristall ein Kompensatorkristall aus einem anderen Material derart kombiniert ist, dasz das Dickenverhaeltnis der beiden Kristalle sich reziprok zum Doppelbrechungsverhaeltnis dieser Kristalle verhaelt und die Temperaturabhaengigkeit der Doppelbrechung der beiden Kristalle stark unterschiedlich ist.{Sensor; Temperatursensor, faseroptisch; Doppelbrechungsaenderung, temperaturabhaengig; Kristall; Kompensatorkristall}The invention relates to a fiber optic sensor for temperature measurement. The invention can be used when temperatures by non-electrical means, for. B. in the vicinity of strong electromagnetic interference fields or increased risk of explosion to be measured. The sensor has high sensitivity even when using broadband LEDs. It is characterized in that a compensator crystal of another material is combined with a sensor crystal such that the thickness ratio of the two crystals is reciprocal to the birefringence ratio of these crystals and the temperature dependency of birefringence of the two crystals is greatly different. Temperature sensor, fiber optic; Birefringence change, temperature dependent; Crystal; Kompensatorkristall}

Description

guten Meßempfindlichkeit wird (n, - no)l möglichst groß gewählt, so daß bei einer spektralen Bandbreite von etwa 50 nm die Phasendifferenzen Δφ, zumeist um mehrere 2n variieren. Damit ergeben sich nach Durchtritt durch den Kristall für die verschiedenen spektralen Anteile ganz unterschiedliche Polarisationszustände, Das wiederum führt bei einer temperaturabhängigenÄndorungvonn, - nonurzu geringen Intensitätsänderungen des Meßsignals hinter dem Analysator. Für polarisationsoptische Untersuchungen sind Kompensatoren bekannt (z.R. Soleil-Babinet-Kompensator), die die Gesamtphasendifferenz zwischen zwei orthogonalen Wellen nach Durchtritt durch einen doppelbrechenden Kristall dadurch stark verringern, daß ein zweiter, identischer Kristall nahezu gleicher Dicke hinter dem ersten angebracht ist, wobei die optischen Achsen der beiden Krislalle um 90° zueinander verdreht sind. Dadurch erhält man auch für breitbandige Lichtquellen am Ausgang wieder definierte Polarisationszustände. Eine solche Anordnung ist natürlich als Temperatursensor nicht geeignet, da sich hierauch die temperaturabhängigen Doppelbrechungsänderungen der beiden Kristalle kompensieren würden. Die Variation der Phasendifferenzen Δφι für die versc hiedenen spektralen Anteile muß also kompensiert werden, ohne die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung der Gesamtanordnung merklich zu beeinflussen. Das gelingt erfindungsgemäß durch Verwendung eines Kompensatorkristalls aus einem anderen Material, wobei zur Phasenkompensation gelten mußgood measuring sensitivity is (n, - n o ) l as large as possible, so that at a spectral bandwidth of about 50 nm, the phase differences Δφ, usually vary by several 2n. This opens up after passing through the crystal for the different spectral components quite different polarization states, which in turn results in a temperaturabhängigenÄndorungvonn - n o nurzu low intensity changes of the measurement signal behind the analyzer. For polarization-optical investigations compensators are known (zs Soleil-Babinet Compensator), the total phase difference between two orthogonal waves after passage through a birefringent crystal greatly reduced by a second, identical crystal is mounted almost the same thickness behind the first, wherein the optical Axes of the two Krislalle are rotated by 90 ° to each other. As a result, defined polarization states are also obtained for broadband light sources at the output. Of course, such an arrangement is not suitable as a temperature sensor, since it would also compensate for the temperature-dependent birefringence changes of the two crystals. The variation of the phase differences Δφι for the different spectral components must therefore be compensated without appreciably influencing the temperature dependence of the birefringence of the overall arrangement. This is possible according to the invention by using a compensator crystal made of a different material, wherein the phase compensation must be valid

I (n, - no)i · Ii I =» I (n, - no)n · In |. (2)I (n, - n o ) i · I i = »I (n, -n o ) n · In |. (2)

Hierbei sind (n, - n0), und I,-Doppelbrechung und Dicke des Sensorkristalls sowie (n, - no)n und Iu- Doppelbrechung und Dicke des Kompensatorkristalls. Die Betragszeichen in Gl. (2) stehen deshalb, weil beide Materialien sowohl positiv als auch negativ doppelbrechend sein dürfen und die Kompensation durch entsprechende Orientierung dor beiden Kristalle zueinander in jedem Fall erreicht werden kann.Here are (n, - n 0 ), and I, birefringence and thickness of the sensor crystal and (n, - n o ) n and Iu- birefringence and thickness of the Kompensatorkristalls. The amount characters in Eq. (2) are because both materials may be both positively and negatively birefringent, and the compensation can be achieved in any case by appropriate orientation of the two crystals to each other.

Bei der Wahl der beiden doppelbrechenden Materialien kommt als zusätzliche Forderung hinzu, daß das Kompensatormaterial die Meßempfindlichkeit zumindest nicht verschlechtert, d. h., daß entwedoiIn the choice of the two birefringent materials is added as an additional requirement that the Kompensatormaterial does not deteriorate the measuring sensitivity, d. h., that either

d|(n. - n„)i · I1] d[(n. - n„)n In) . d | (n - n ") i · I 1 ] d [(n - n") n In) .

dT ' dTdT'dT

gelten muß, d. h., daß der Kompensatorkristall im Vergleich zum Sensorkristall eine vernachlässigbare temperaturabhängige Doppeibrechungsänderung haben soll oder aber, daß diese so geartet soin soll, daß der Meßeffekt noch verstärkt wird.must apply, d. h., That the Kompensatorkristall compared to the sensor crystal should have a negligible temperature-dependent Doppeibrechungsänderung or that it should be soin kind that the measuring effect is enhanced.

Ausführungsbeispieleembodiments

Den Gesamtaufbau des Sensors zeigt die Figur. Im kollimierten Strahlengang zwischen Zuführungsfaser 1 und Ableitungsfaser 2 ist zwischen gekreuzten oder parallelen Polarisatoren ein Sensorkristall 3 so angeordnet, daß seine optische Achse um 45" zur Durchlaßrichtung von Polarisator 5 und Analysator 6 geneigt ist. Damit werden die senkrecht zueinander polarisierten Lichtanteile im Kristall (ordentlich und außerordentlich polarisierte Welle) mit gleicher Intensität vorliegen. Als Sensormaterial bieten sich vor allem LiNbOa, oder auch BiI2SiOw an. Speziell bei kongruent gezogenem LiNbOj liegt eine sehr große temperaturabhängige Doppelbrechungsänderung vonThe overall structure of the sensor shows the figure. In the collimated beam path between feed fiber 1 and discharge fiber 2, a sensor crystal 3 is arranged between crossed or parallel polarizers so that its optical axis is inclined by 45 ° to the transmission direction of polarizer 5 and analyzer 6. Thus, the perpendicularly polarized light components in the crystal (neat LiNbOa, or else BiI 2 SiOw, are particularly suitable as sensor material, especially for congruently grown LiNbOj, a very large temperature-dependent birefringence change of

ClT CIT

Die zwischen ordentlich und außerordentlich polarisierter Welle am Ausgang des Sensorkristalls 3 vorliegende Phasendifferenz wird durch einen hinter dem Sensorkristall befindlichen Kompensatoi kristall 4 nahezu vollständig kompensiert. Als Kompensatorkristall eignet sich z. B. Quarz mit einer sehr geringen Doppelbrechungsänderung vonThe present between neat and extremely polarized wave at the output of the sensor crystal 3 phase difference is almost completely compensated by a located behind the sensor crystal Kompensatoi crystal 4. As Kompensatorkristall z. B. quartz with a very small birefringence change of

-1-10-6K-'.-1-10- 6 K- '.

dTdT

Da LiNbO3 ein negativ doppelbrechender Kristall mit n, - no = -0,08 und Quarz ein positiv doppelbrechender Kristall mitSince LiNbO 3 is a negatively birefringent crystal with n, - n o = -0.08 and quartz is a positively birefringent crystal with

n, - n0 =* +0,009 ist, müssen zur Kompensation die optischen Achsen der beiden Kristall parallel zueinander ausgerichtet sein und das Dickenverhältnis liiNMv'sio, =*1:9 betragen.n, - n 0 = * +0.009, the optical axes of the two crystals must be aligned parallel to each other and the thickness ratio liiNMvsio, = * 1: 9 for compensation.

Zum Erreichen einer größeren Kompaktheit lassen sich auch geeignete Kristalle mit großer Doppelbrechung verwenden,To achieve greater compactness, it is also possible to use suitable crystals with high birefringence,

wodurch die Kompensator-Krista'ldicken wesontlich geringer sein können. Möglich wäre Rutil mit n, - n0 = 0,28, so daß in diesem Fall das Dickenverhältniswhereby the compensator Krista'ldicken can be significantly lower. Rutile would be possible with n, - n 0 = 0.28, so that in this case the thickness ratio

luNbo,:lfluui β 3,5:1 sein muß.luNbo,: lfluui β must be 3.5: 1.

Für den Fall, daß Sensor- und Kompensatorkristall eine gleichsinnige Doppelbrechung besitzen (beide positiv oder negativ doppelbrechend) müssen die optischen Achsen der beiden Kristalle um 90° zueinander verdreht sein, damit der Effekt der Phasendifferenzkompensation erreicht werden kann.In the event that the sensor and Kompensatorkristall have the same direction birefringence (both positively or negatively birefringent), the optical axes of the two crystals must be rotated by 90 ° to each other, so that the effect of the phase difference compensation can be achieved.

Claims (1)

Faseroptischer Sensor zur Temperaturmessung auf der Basis der lemperaturabhängigen Doppelbrechungsänderung von Kristallen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem an sich bekannten Sensorkristall ein Kompensatorkristall aus einem anderen Material derart kombiniert ist, daß das Dickenverhältnis der beiden Kristalle sich reziprok zum Doppelbrechungsverhältnis dieser Kristalle verhält und die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung der beiden Kristalle stark unterschiedlich ist.Fiber optic sensor for temperature measurement based on the temperature-dependent birefringence change of crystals, characterized in that a Kompensatorkristall of another material is combined with a known sensor crystal such that the thickness ratio of the two crystals is reciprocal to the birefringence ratio of these crystals and the temperature dependence of the Birefringence of the two crystals is very different. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, bei dem die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung eines Kristalls ausgenutzt wird. Das zur Messung verwendete Licht wird dabei über Lichtwellenleiter dem Sensorkopf zugeführt bzw. nach Durchtritt durch den Kristall von ihm weggeleitet. Der Sensor ist in optischen Signalübertragungssystemen mit einmodigen oder mohrmodigen Lichtwellenleitern einsetzbar, wenn z. B. Temperaturen auf nichtelektrischem Wege in einer Umgebung starker elektromagnetischer Störfelder bzw. mit hoher Explosionsgefahr gemessen werden sollen.The invention relates to a temperature sensor in which the temperature dependence of the birefringence of a crystal is utilized. The light used for the measurement is supplied to the sensor head via optical waveguides or led away from it after passing through the crystal. The sensor can be used in optical signal transmission systems with single-mode or mohrmodigen optical waveguides, if z. B. Temperatures are measured by non-electrical means in an environment of strong electromagnetic interference fields or with high risk of explosion. Charakteristik des bokannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Es sind faseroptische Temperatursensoren bekannt, die auf sehr unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhen. So wurden z. B. die temperaturabhängige Photclumineszenz fester Materialien (DE-OS 3036682, EP 0006530), die temperaturabhängige Brechzahländerung von Flüssigkeiten (DE-OS 2941677), die temperaturabhängige Bandkantenverschiebung von Materialien (EP 0006530, EP 0210719) sowie die temperaturabhängige Doppelbrechungsänderung optischer Kristalle, wie z. B. LiNbO3 (EP 0014848) beschrieben. Im zuletü genannten Fall enthält der Sensorkopf außer dem doppelbrechenden Kristall zwei Polarisatoren sowie Linsen zur aus- bzw. Einkopplung des Lichtes aus der Zuführungs- bzw. in die Ableitungsfaser. Die Änderung des Polarisationszustandes des Lichtes durch Durchtritt durch den doppelbrechenden Kristall wird durch den zweiten Polarisator in eine Amplitudenänderung umgewandelt, die als Meßsignal dient. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Empfindlichkeit muß der Lichtweg durch den Kristall entsprechend groß sein. Dadurch macht es sich notwendig, Lichtquellen mit geringer spektraler Bandbreite zu verwenden (EP 0014848), damit nach Durchtritt durch den Kristall noch ein definierter Polarisationszustand vorliegt. In Verbindung mit mehrmodigen Lichtwellonleitern werden jedoch i. allg. breitbandige LED eingesetzt (Δλ™ 50 nm), die diese Voraussetzung nicht erfüllen. Um auch in diesem Fall das Sensorprinzip der temperaturabhängigen Doppelbrtichungsänderung ausnutzen zu können, wurde zur Analyse der im Sensor auftretenden, spektral abhängigen optischen Physendifferenz der orthogonalen Moden auf der Empfangsseite ein Michelson-Interferometer eingesetzt (technisches Messen, 54.Jahrg„ Heft 7/8,1987; S.304-309). Diese Lösung ist natürlich sehr aufwendig, die Vorteile der Einfachheit und Kompaktheit gehen verloren.There are known fiber optic temperature sensors, which are based on very different principles of action. So z. As the temperature-dependent photoluminescence of solid materials (DE-OS 3036682, EP 0006530), the temperature-dependent refractive index change of liquids (DE-OS 2941677), the temperature-dependent band edge shift of materials (EP 0006530, EP 0210719) and the temperature-dependent birefringence change of optical crystals, such as , B. LiNbO 3 (EP 0014848) described. In the case cited, the sensor head contains, in addition to the birefringent crystal, two polarizers and lenses for coupling or coupling in the light from the feed or the discharge fiber. The change of the polarization state of the light through passage through the birefringent crystal is converted by the second polarizer into an amplitude change which serves as a measurement signal. To ensure sufficient sensitivity, the light path through the crystal must be correspondingly large. This makes it necessary to use light sources with a low spectral bandwidth (EP 0014848), so that after passing through the crystal there is still a defined polarization state. In conjunction with multi-mode Lichtwellonleitern but i. general broadband LED (Δλ ™ 50 nm), which do not meet this requirement. In order to be able to exploit the sensor principle of the temperature-dependent double orientation change in this case as well, a Michelson interferometer was used for the analysis of the spectrally dependent optical physical difference of the orthogonal modes on the receiving side (technical measurement, 54th year "issue 7/8, 1987, pp. 304-309). This solution is of course very complex, the benefits of simplicity and compactness are lost. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist ein faseroptischer Sensor zur Temperaturmessung auf der Basis der temperaturabhängigen Doppelbrechungsänderung von Kristallen, bei der Beibehaltung einer hohen Empfindlichkeit auch für den Einsatz breitbandiger LED verwendbar sein soil. Der Fertigungsaufwand soll dabei nicht erhöht und die Auswertung des Meßsignals nicht verkompliziert werden.The aim of the invention is a fiber optic sensor for temperature measurement on the basis of the temperature-dependent birefringence change of crystals, in the retention of high sensitivity should also be used for the use of broadband LED. The production costs should not be increased and the evaluation of the measurement signal should not be complicated. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Temperatursensor auf der Basis doppelbrechender Materialien zu schaffen, bei dem die temperaturabhängige Doppelbrechungsänderung genutzt wird und der ohne wesentliche Einschränkungen für breitbandige LED eingesetzt werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem faseroptischen Sensor zur Temperaturmessung auf der Basis der temperaturabhängigen Doppelbrechungsänderung von Kristallen erfinJungsgemäß dadurch, daß mit einem an sich bekanntsn Sensorkristall ein Kompensatorkristall aus einem anderen Material derart kombiniert ist, daß das Dickenverhältnis der beiden Kristalle sich reziprok zum Doppelbrechungsverhältnis der Kristalle verhälf und die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung der beiden Kristalle stark unterschiedlich ist. Bei der Verwendung breitbandiger Lichtquellen entsteht generell das Problem, daß die verschiedenen spektralen Anteile λ; stark unterschiedliche Phasendifferenzen Δφ,- der orthogonalen Methoden entsprechendThe invention has for its object to provide a fiber optic temperature sensor based on birefringent materials, in which the temperature-dependent birefringence change is used and can be used without significant restrictions for broadband LED. The solution of this object succeeds with a fiber optic sensor for temperature measurement on the basis of the temperature-dependent birefringence change of crystals erfinJungsgemäß characterized in that a Kompensatorkristall of another material is combined with a per se known sensor crystal such that the thickness ratio of the two crystals is reciprocal to the birefringence of the Crystals behälf and the temperature dependence of the birefringence of the two crystals is very different. When using broadband light sources, the problem generally arises that the different spectral components λ; strongly different phase differences Δφ, - corresponding to the orthogonal methods 2n2n (n. - no)l
α,-
(n. - n o ) l
α, -
beim Durchtritt durch den doppelbrechenden Kristall erfahren. Hierbei sind n„ no-außerordentliche bzw. ordentliche Brechzahl desKristalls, I-geometrische Weglänge des Lichts durch den Kristall, λ|-spektraler Anteil der Wellenlänge. Zur Erreichung eineras it passes through the birefringent crystal. Here, n "n o" extraordinary refractive index of the crystal, "I" geometric path length of the light through the crystal, λ "spectral portion of the wavelength. To achieve a
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996031763A1 (en) * 1995-04-03 1996-10-10 Alliedsignal Inc. Birefringent optical temperature sensor with adjustable temperature sensitivity
WO1997014942A1 (en) * 1995-10-19 1997-04-24 Alliedsignal Inc. A birefringent-biased sensor
FR2751409A1 (en) * 1996-07-19 1998-01-23 Univ Metz Optical temperature sensor with linear electro-optical modulation

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996031763A1 (en) * 1995-04-03 1996-10-10 Alliedsignal Inc. Birefringent optical temperature sensor with adjustable temperature sensitivity
WO1997014942A1 (en) * 1995-10-19 1997-04-24 Alliedsignal Inc. A birefringent-biased sensor
US5694205A (en) * 1995-10-19 1997-12-02 Alliedsignal Inc. Birefringent-biased sensor having temperature compensation
FR2751409A1 (en) * 1996-07-19 1998-01-23 Univ Metz Optical temperature sensor with linear electro-optical modulation

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