DE10055629A1

DE10055629A1 - Optical pressure sensor, comprising a liquid crystal through which light from a waveguide passes, being modified in a measurable way by a pressure wave, then reflected along the same waveguide

Info

Publication number: DE10055629A1
Application number: DE2000155629
Authority: DE
Inventors: Manfred Gortat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Optical pressure sensor comprises a liquid crystal (2) with a reflective layer (5) and a polarizer (4). A pressure wave affects the double-refractive properties of the crystal so that light incident from an optical waveguide and reflected from the reflected layer has its brightness altered before re-entering the optical waveguide. The brightness change is proportional to the pressure. The reflected light that is transmitted back through the optical waveguide is demodulated and converted to an electric signal.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Drucksensor, der aus den Komponenten Lichtsender, Y-Weiche, Lichtwellenleiter, einer Demodulatoreinheit und dem eigentlichen Flüssigkristall-Drucksensor besteht.The invention relates to an optical pressure sensor consisting of the components Light transmitter, Y-switch, fiber optic cable, a demodulator unit and the actual liquid crystal pressure sensor.

Bis auf den Drucksensor sind die aufgezählten Komponenten dem Fachmann bekannt und sollen hier nicht weiter beschrieben werden.Except for the pressure sensor, the listed components are the specialist are known and will not be described further here.

Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf den Flüssigkristall-Sensor, der auf ihn einwirkende Druckwellen in proportionale Lichtsignale umwandelt. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die im wesentlichen aus einem Sende - und einem Empfangslichtwellenleiter bestehen, wobei das gesendete Lichtsignal auf eine reflektierende Membran und von dieser zurück auf die Stirnfläche des Empfangs-Lichtwellenleiters trifft. Durch die vom Schall verursachte Auslen kung der Membran kommt es zu einer Verschiebung des Lichtfleckes und damit zu einem unterschiedlich großen Lichteinfall in den Empfangs-Lichtwellenleiter (DE 40 18 998, DE 198 26 565 A1, "ACUSTICA", Vol. 73, 1991, Seiten 72 bis 89).The invention relates essentially to the liquid crystal sensor, the converts pressure waves acting on it into proportional light signals. Various methods are known which essentially consist of a transmission and a receiving light waveguide, the transmitted light signal on a reflective membrane and from this back to the face of the Receiving optical fiber meets. Due to the deflection caused by sound the membrane, there is a shift in the light spot and thus to different light incidence in the receiving optical fiber (DE 40 18 998, DE 198 26 565 A1, "ACUSTICA", vol. 73, 1991, pages 72 to 89).

Die US-Veröffentlichung USA 4166932 beschreibt ein Verfahren, bei der die Membran durch ihre Auslenkung in eine Lichtschranke, die aus dem Sende- und Empfangs-Lichtwellenleiter gebildet wird, eintaucht und somit die durchgelas sene Lichtmenge beeinflußt.US publication 4166932 describes a method in which the Membrane due to its deflection into a light barrier, which consists of the transmitter and Receiving optical fiber is formed, immersed and thus the transmissive affects the amount of light.

Bei all diesen Verfahren besteht der Nachteil, daß zum einen immer zwei Lichtwellenleiter benötigt werden und zum anderen bei sehr dünnen Lichtwel lenleitern durch die sehr geringe eingekoppelte Lichtintensität das Signal- Rauschverhältniss ungünstig wird.The disadvantage of all these processes is that there are always two Optical fibers are required and secondly with very thin light waves due to the very low coupled light intensity, the signal Noise ratio becomes unfavorable.

Eine andere Anmeldung (Gortat), beschreibt ein Verfahren mit nur einem Lichtwellenleiter. Hier wird der Sendelichtstrahl von einer reflektierenden Membran gespiegelt und durch eine optische Blende wieder in den Lichtwel lenleiter eingeleitet. Eine Durchbiegung der reflektierenden Membran hat zur Folge, daß der Lichtstrahl entsprechend den Winkelgesetzen abgelenkt wird und dadurch teilweise auf die Seitenwände der optischen Blende trifft und dort ab sorbiert wird.Another application (Gortat) describes a procedure with only one Optical fiber. Here the transmitted light beam is from a reflective one Mirrored membrane and back into the light world through an optical aperture lenleiter initiated. Deflection of the reflective membrane leads to Consequence that the light beam is deflected according to the angle laws and thereby partially hitting the side walls of the optical diaphragm and from there is sorbed.

Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß eine bestimmte Durchbiegung der Mem bran durch die Druckwellen erreicht werden muß, um eine Ablenkung des Lichtstrahles zu bewirken.The disadvantage here is that a certain deflection of the mem bran by the pressure waves must be achieved to deflect the To cause light beam.

Der erfindungsgemäße optische Drucksensor nach Anspruch 1 hat gegenüber den vorgenannten Beispielen den Vorteil, daß er nur einen Lichtwellenleiter be nötigt und die druckempfindliche Zelle praktisch ohne eine mechanische Aus lenkung auskommt.The optical pressure sensor according to the invention has the opposite the above examples have the advantage that he only be an optical fiber necessary and the pressure-sensitive cell practically without mechanical out steering gets along.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine reflexive Flüssigkristall zelle als Drucksensor benutzt wird. Diese Zellen sind dem Fachmann z. B. als LC-Diplays in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Der grundsätzliche Aufbau einer solchen reflexiven Flüssigkristallzelle ist in verschiedenen Veröffentlichungen (DE 198 39 406, EP 0978752 A1) beschrieben und somit allgemein bekannt.This is achieved according to the invention in that a reflective liquid crystal cell is used as a pressure sensor. These cells are z. B. as LC diplays are known in various designs. The basic one Structure of such a reflective liquid crystal cell is in various publications (DE 198 39 406, EP 0978752 A1) and thus generally known.

Im erfindungsgemäßen Fall wird die doppelbrechende Eigenschaft der reflexi ven Flüssigkristallzelle jedoch nicht durch eine über Elektroden angelegte elek trische Spannung beeinflußt, sondern durch Druckwellen, die über eine flexibel gelagerte Reflexionsschicht auf die Flüssigkristallschicht einwirken.In the case of the invention, the birefringent property of the reflexi ven liquid crystal cell, however, not by an elec tric voltage, but influenced by pressure waves over a flexible stored reflection layer act on the liquid crystal layer.

Ausgangspunkt des neuartigen Drucksensors ist die bereits erwähnte reflexive Flüssigkristallzelle Fig. 1. Diese reflexiven Zellen bestehen im wesentlichen aus einer Flüssigkristallschicht 2, die zwischen einem Polarisator 4 und einem Re flektor 5 eingelagert ist.The starting point of the novel pressure sensor is the already mentioned reflective liquid crystal cell Fig. 1. These reflective cells essentially consist of a liquid crystal layer 2 , which is embedded between a polarizer 4 and a reflector 5 .

Als Trägermaterial für diesen optischen Drucksensor wird ein Polarisationsfilter 4 benutzt, welcher das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht 6 linear pola risiert. Dieses linear polarisierte Licht durchläuft im drucklosen Fall, in Fig. 1 dargestellt, ungestört die Flüssigkristallschicht 2 und wird von der reflexiven Schicht 5 reflektiert und gelangt wieder ungestört durch die Flüssigkristall schicht 2 zum Polarisator 4 und tritt aus diesem wieder als linear polarisiertes Licht aus.As a carrier material for this optical pressure sensor, a polarization filter 4 is used, which linearly polarizes the light 6 emerging from the optical waveguide. This linearly polarized light passes through the unpressurized case shown in Fig. 1, undisturbed, the liquid crystal layer 2 and is reflected by the reflective layer 5, and again passes undisturbed through the liquid crystal layer 2 to the polarizer 4 and exits from it again as linearly polarized light.

In diesem Fall ist der Reflektor 5 als eine einseitig verspiegelte Membran aus gelegt, die die Flüssigkristallschicht 2 umschließt und mit dem Polarisator 4 verklebt ist.In this case, the reflector 5 is laid out as a membrane mirrored on one side, which surrounds the liquid crystal layer 2 and is glued to the polarizer 4 .

Wird die Flüssigkristallschicht 2 zusammengepreßt, ändert sich seine doppel brechende Eigenschaft. Dies hat zur Folge, wie in Fig. 2 dargestellt, daß das in die Flüssigkristallschicht 2 eintretende linear polarisierte Licht auf dem Wege zum Reflektor 5 teilweise zirkular polarisiert wird. Durch die Reflexion wird die Drehrichtung des Lichtstrahles umgekehrt und nach dem erneuten Durchlaufen der Flüssigkristallschicht 2 wird zwar wieder linear polarisiertes Licht entstehen, jedoch ist dieses im Vergleich zum einfallenden linear polarisierten Licht um einen bestimmten druckproportionalen Winkel verdreht, d. h. die Polarisations richtung des reflektierten Lichtstrahles steht in einem bestimmten Winkel zur Transmissionsachse des Polarisators 4, so daß eine teilweise Absorbtion erfolgt. Dieses druckproportional in seiner Lichtintensität modulierte Licht 7, das dann wieder aus dem Polarisator 4 aus- und in den Lichtwellenleiter eintritt, kann in einer bekannten Demodulatorstufe in ein elektrisches Signal umgeformt werden. Durch entsprechende Variationen des Polarisators 4, des Reflektors 5 und des Flüssigkristallmediums 2 oder durch Hinzufügen weiterer Komponenten, wie sie aus der LC-Diplay-Technik her bekannt sind, ist ein breites Anwendungsspek trum denkbar. Vorteilhaft wirkt sich der Einsatz von ferroelektrischen Flüssig kristallen aus, da diese um den Faktor 1000 kürzere Schaltzeiten haben und au ßerdem, was im erfindungsgemäßen Fall gewünscht wird, eine hohe Druckemp findlichkeit aufweisen (US 4367924, EP 0032362).If the liquid crystal layer 2 is pressed together, its birefringent property changes. As a result, as shown in FIG. 2, the linearly polarized light entering the liquid crystal layer 2 is partially circularly polarized on the way to the reflector 5 . Due to the reflection, the direction of rotation of the light beam is reversed and after passing through the liquid crystal layer 2 again linearly polarized light will emerge, but this is rotated by a certain pressure-proportional angle in comparison to the incident linearly polarized light, ie the direction of polarization of the reflected light beam is fixed at a certain angle to the transmission axis of the polarizer 4 , so that a partial absorption takes place. This light 7 , which is modulated in proportion to its pressure and then exits from the polarizer 4 and into the optical waveguide, can be converted into an electrical signal in a known demodulator stage. By appropriate variations of the polarizer 4 , the reflector 5 and the liquid crystal medium 2 or by adding other components, such as are known from the LC-diplay technology, a wide range of applications is conceivable. The use of ferroelectric liquid crystals has an advantageous effect, since these have switching times that are shorter by a factor of 1000 and, moreover, which is desired in the case according to the invention, has a high sensitivity to pressure (US 4367924, EP 0032362).

Weiterhin sind Flüssigkristalle einsetzbar, die im drucklosen Zustand bereits eine Doppelbrechung auweisen und dann bei geringsten Druckänderungen diesen Zustand erhöhen bzw. erniedrigen, was zu einem fast linearen Verhalten Druckänderung zur Lichtintensitätsänderung führt.Furthermore, liquid crystals can be used that are already in the unpressurized state show a birefringence and then the slightest change in pressure State increase or decrease, resulting in an almost linear behavior Change in pressure leads to change in light intensity.

Fig. 3 zeigt z. B. den schematischen Aufbau eines optischen Mikrofones. Das Ende eines Polymer-Sende- und Empfangs-Lichtwellenleiters 8 wird in das Mi krofongehäuse 9 eingeklebt. So können z. B. Schallwellen, die über die reflek tierende Membran 5 auf die Flüssigkristallschicht a einwirken, dessen doppel brechende Eigenschaft beeinflussen und somit die reflektierte Lichtintensität ändern. Auf diese Weise läßt sich ein einfaches und praktisch bewegungslos ar beitendes Mikrofon mit äußerst kleinen Abmessungen herstellen. Fig. 3 shows z. B. the schematic structure of an optical microphone. The end of a polymer transmission and reception optical waveguide 8 is glued into the microphone housing 9 . So z. B. sound waves that act on the reflecting membrane 5 on the liquid crystal layer a, affect its birefringent property and thus change the reflected light intensity. In this way, a simple and practically motionless working microphone can be produced with extremely small dimensions.

Auch kann diese erfindunggemäße Anordnung als Drucksensor für technische Zwecke zum Einsatz kommen.This arrangement according to the invention can also be used as a pressure sensor for technical purposes Purposes.

Claims

1. Optical pressure sensor, consisting of an optical waveguide and a re flexive liquid crystal cell, which consists essentially of a liquid crystal stall layer, which is enclosed between a polarizer and a reflective membrane, characterized in that the pressure waves act on the liquid crystal layer via the reflective membrane cause a change in the birefringence properties of the liquid crystals and thereby a transmission light beam emerging from an optical fiber which passes through a liquid crystal layer via the polarization layer, reflects again from the reflective membrane and passes through the liquid crystal layer and the polarization layer and undergoes a change in light intensity proportional to the pressure waves when it re-enters the optical waveguide , which is modulated onto the transmitted light beam and converted into an electrical signal in a demodulator stage.

2. Optical pressure sensor according to claim 1, characterized in that the liquid crystalline layer consists of a ferroelectric liquid crystal.

3. Optical pressure sensor according to claim 1, characterized in that the Behavior pressure load to birefringence property of the liquid crystal layer is linear in the work area.