DE10061147C2 - Anordnung zur Bestimmung der Reflexionswellenlänge von Faser-Bragg-Gittern - Google Patents
Anordnung zur Bestimmung der Reflexionswellenlänge von Faser-Bragg-GitternInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Reflexionswellenlängen
von hintereinander geschalteten Faser-Bragg-Gittern, bestehend aus einer Faser-
Bragg-Gitter-Anordnung und einer Auswerte-Einheit zur Bestimmung der
Reflexionswellenlänge der einzelnen Faser-Bragg-Gitter, basierend auf dem Prinzip
der Wellenlängen-Amplituden-Wandlung des von den Faser-Bragg-Gittern
rückreflektierten Lichtes.
Faser-Bragg-Gitter sind neuartige Bauelemente in Glasfasern. Neben einem breiten
Einsatzspektrum in der optischen Nachrichtentechnik können Faser-Bragg-Gitter
auch als faseroptische Sensoren unter anderem zur Messung von Dehnung und
Temperatur eingesetzt werden. Sie sind in sehr geringen Abmessungen herstellbar
und besitzen gute Stabilitätseigenschaften, das heißt, sie sind über einen sehr
langen Zeitraum einsetzbar. Sie arbeiten quasi kalibrierfrei und können an oder in
verschiedene Materialien appliziert werden. Es erfolgt keine Beeinflussung durch
elektromagnetische Störstrahlung. Ihr Meßsignal ist wellenlängenkodiert und somit
dämpfungsunabhängig. Zur Auswertung eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors muß die
Wellenlänge des durch das Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtes, die
sogenannte Bragg-Wellenlänge, bestimmt werden.
Ein großer Vorteil dieser Sensoren ist die Möglichkeit der Kaskadierung, d. h.
mehrere Faser-Bragg-Gitter-Sensoren können hintereinander geschaltet werden. Um
ein solches Sensorarray auszuwerten, muß die Reflexionswellenlänge jedes
einzelnen Faser-Bragg-Gitters bestimmt werden.
Bekannt ist, optische Spektrumanalysatoren in Verbindung mit einer breitbandigen
Lichtquelle (z. B. ASE-Quelle oder ELED) einzusetzen. Diese genügen jedoch meist
nicht den hohen Anforderungen bezüglich Auflösung und Absolutgenauigkeit.
Außerdem muß die Wellenlänge extern in die vom Sensor gemessene physikalische
Größe umgerechnet werden. Für dynamische Messungen ist diese Anordnung auch
aufgrund langer Scanzeiten nicht geeignet.
Eine weitere Anordnung und zugehöriges Verfahren offenbart die US 5,319,435.
Hiernach wird eine Anordnung zur Auswertung von Dehnungs- oder
Temperaturzuständen eines Materials beschrieben, die aus einem optischen Sensor
besteht, der als Fühlelement ein Bragg-Gitter aufweist und der mit dem auszuwerten
den Material so verbunden ist, daß sich bei Änderung des Materialzustandes auch
die charakteristische Bragg-Wellenlänge des Bragg-Gitters ändert. Die Anordnung
besteht des weiteren aus einer breitbandigen Lichtquelle, von der aus das optische
Signal über einen optischen Koppler zum Bragg-Gitter geleitet wird und aus einer
Anordnung zur Teilung des vom Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtes in wenigstens
zwei Signale, bestehend aus einem weiteren optischen Koppler, sowie einer
Verarbeitungsanordnung zum Auswerten der Signale. Mittels wenigstens eines
speziellen Filters erfolgt eine Wellenlängen-Amplituden-Wandlung, um die
Wellenlänge des vom Sensor rückreflektierten Lichtes zu bestimmen. Photodioden
detektieren die Signale, die anschließend verstärkt, mittels entsprechender Hard-
und Software ausgewertet und in die gemessene physikalische Größe umgerechnet
werden. Nachteilig an dieser Lösung sind neben der Empfindlichkeit gegenüber
Rückreflexionen, Meßfehler aufgrund von polarisationsabhängigen Verlusten bei der
Signalaufteilung.
Eine verbesserte Anordnung, welche die oben genannten Nachteile vermeidet,
offenbart die DE 199 13 800 A1. Durch den Einsatz eines speziellen GRIN-Linsen-
Kopplers werden die o. g. Nachteile vermieden. Diese Anordnung ist für dynamische
Messungen geeignet. Nachteilig an dieser Anordnung ist die notwendige
Beschränkung auf einen einzigen Faser-Bragg-Gitter-Sensor.
Um die Auswertung mehrerer, hintereinander geschalteter Faser-Bragg-Gitter zu
ermöglichen, werden meist Anordnungen aus einer schmalbandigen, abstimmbaren
optischen Quelle (z. B. ECL-Laser oder abstimmbarer Faserlaser) in Kombination mit
einem breitbandigen Empfänger oder eine breitbandige Quelle in Verbindung mit
einem wellenlängenselektiven, abstimmbaren optischen Empfänger (z. B. Fabry-
Perot Filter vor einer Photodiode) eingesetzt. Exemplarisch sei hierzu auf die
Veröffentlichung von [A. D. Kersey et al.: "Multiplexed fiber Bragg grating strain
sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter", Optics Letters Vol. 18, No.
16, S. 1370-1372, 1993] verwiesen. Nachteilig an diesen Anordnungen sind der
hohe gerätetechnische Aufwand, eine Begrenzung der Meßdynamik aufgrund der
Scanzeiten der mechanisch abstimmbaren Komponenten sowie Hysterese- und
Lebensdauerprobleme.
Eine weitere Anordnung, welche die Auswertung von mehreren, hintereinander
geschalteten Faser-Bragg-Gittern ermöglicht, offenbart die DE 197 54 910 C2.
Hierbei wird für jedes Bragg-Gitter ein Detektorpaar mit entsprechend
dimensionierter Filtercharakteristik verwendet. Nachteilig an dieser Anordnung sind
neben einem mit der Anzahl der Sensoren zunehmenden gerätetechnischen
Aufwand vor allem Mehrdeutigkeiten im Meßbereich und Meßungenauigkeiten
aufgrund polarisationsabhängiger Verluste bei der Strahlteilung.
Eine weitere Anordnungen, welche die Auswertung von mehreren, hintereinander
geschalteten Faser-Bragg-Gittern ermöglicht, offenbart die DE 198 21 616 A1.
Hierbei wird ein sogenannter Polychromator in Kombination mit einer
interferometrischen Auswertung vorgeschlagen. Derzeit ist jedoch die Verfügbarkeit
entsprechender Diodenzeilen insbesondere für das 3. optische Fenster stark
eingeschränkt.
Nachteil aller bisher zitierten Verfahren ist die Begrenzung des Meßbereiches eines
Faser-Bragg-Gitter-Sensors auf einen vorher zu definierenden Wellenlängenbereich,
da nur so eine Zuordnung der einzelnen Reflexionswellenlängen zu den einzelnen
Sensoren möglich ist. Dadurch ergeben sich starke Einschränkungen bezüglich des
Meßbereiches eines Sensors bzw. der Anzahl der kaskadierbaren Sensoren.
Die DE 690 17 647 T2 offenbart eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser
Einschränkung. Hierfür wird ein abstimmbarer Laser in Kombination mit der
Zeitmultiplextechnik eingesetzt. Dadurch wird es möglich, die Position des Sensors
anhand der Laufzeit des Lichtimpulses und die Meßgröße anhand der Wellenlänge
des Lichtimpulses zu bestimmen. Der abstimmbare Laser wird durch die
Verwendung eines abstimmbaren Faser-Bragg-Gitters realisiert, was in der Praxis zu
erheblichen Genauigkeits- und Stabilitätsproblemen führen dürfte. Ein weiterer
Nachteil ist die niedrige Meßgeschwindigkeit aufgrund der notwendigen
mechanischen oder thermischen Einstellung des abstimmbaren Bragg-Gitters.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung dieser Einschränkung wird von [K. P. Poo
et al.: "DWDM of Fiber Bragg Grating Sensors Without Sensor Spectral Dynamic
Range Limitation using CDMA", OFC'99, FK3, S. 168-170, 1999] vorgestellt. Durch
dieses Verfahren wird es möglich, einen Sensor aufgrund seiner Position im
Sensorarray zu identifizieren. Dadurch können alle Sensoren den gesamten
Wellenlängenbereich nutzen. Die maximale Anzahl der Sensoren wird durch die
Länge der verwendeten Pseudozufallsfolge bestimmt. Nachteilig an der
vorgestellten Anordnung sind der hohe gerätetechnische Aufwand, starre Delay-
Zeiten und eine der Sensoranzahl entsprechende Anzahl von Mischern.
In der Veröffentlichung [Hyungdon Ryu et al.: Economical and Multiple Fiber Grating
Sensor System with Rapid Response Using CDMA, OFS2000 Venedig, Coference
Proceedings, SPIE Vol. 4185, S. 712-715] wird ein weiteres auf CDMA-Technik
basierendes Verfahren vorgestellt, wobei der gerätetechnische Aufwand erheblich
reduziert werden konnte. Durch die Verwendung schmalbandiger Faser-Bragg-Gitter
zur Frequenz-Amplituden Wandlung ergeben sich jedoch einige gravierende
Nachteile. Der Meßbereich eines Faser-Bragg-Gitters ist auf die spektrale Breite des
zugehörigen Filter-Gitters beschränkt. Die Anzahl der benötigten Filter-Gitter
entspricht der Anzahl der auszuwertenden Sensoren. Außerdem wird kein
Referenzsignal zur Wichtung der detektierten Signale benutzt, so daß
Leistungsschwankungen im System zu Meßfehlern führen. Aufgrund von
Mehrdeutigkeiten ist eine Kalibrierung des Meßsystemes ist nicht möglich.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Anordnung gemäß DE 199 13 800 A1 so
weiterzubilden, daß die Bestimmung der Reflexionswellenlängen mehrerer,
hintereinander geschalteter Faser-Bragg-Gitter durch Einsatz der CDMA-Technik
möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 1
genannten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
Wesentlich an der Erfindung ist, daß die einzelnen Faser-Bragg-Gitter in einem
definierten Abstand zueinander angeordnet sind, die Auswerte-Einheit eine spektral
breitbandige, mit einer bestimmten Bitfolge intensitätsmodulierte Lichtquelle aufweist,
deren Licht über eine Lichtleitfaser und einen optischen Koppler zur Faser-Bragg-
Gitter-Anordnung geführt wird, das rückreflektierte Licht über den optischen Koppler
zu einem speziellen optischen Filter geführt wird, der so ausgeführt ist, daß sowohl
eine Signalteilung als auch eine Wellenlängen-Amplituden-Wandlung wenigstens
eines Teilsignals erfolgt, diese Signale zu Photodioden geführt werden und eine
Wandlung in elektrische Signale erfolgt, und den Photodioden Korrelatoren (21; 22)
nachgeordnet sind, deren Eingangssignale die elektrisch gewandelten Signale und
die variabel zeitverzögerte bestimmte Bitfolge sind und nachfolgend Mittel für eine
Zuordnung zwischen gewonnenen Meßwert und dem entsprechenden Faser-Bragg-
Gitter aufgrund der Zeitverzögerung der bestimmten Bitfolge vorgesehen sind.
Durch Intensitätsmodulation der breitbandigen Lichtquelle mit einer bestimmten
Bitfolge, Wellenlängen-Amplituden-Wandlung des rückreflektierten Signals mittels
eines speziellen optischen Filters und Korrelation der detektierten elektrischen
Signale mit der variabel zeitverzögerten bestimmten Bitfolge ist die Bestimmung der
Reflexionswellenlängen mehrerer, hintereinander geschalteter Faser-Bragg-Gitter
möglich.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die
Auswerteeinheit aus wenigstens einer intensitätsmodulierbaren breitbandigen
Lichtquelle, die mittels Lichtleitfaser ihr Licht in einen faseroptischen Koppler
einspeist, der es in die Faser-Bragg-Gitter-Anordnung weiterleitet und das
rückreflektierte Licht über den faseroptischen Koppler dem GRIN-Linsen-Koppler
zuleitet, dem faseroptischen Koppler, dem GRIN-Linsenkoppler, einer Anordnung zur
Erzeugung
einer bestimmten Bitfolge, einer Anordnung zur Verzögerung der bestimmten Bitfolge
und der Anordnung zur Verarbeitung der geteilten Signale, bestehend aus Photodioden,
Verstärkern, Korrelatoren und der Hard- und Software.
In einer vorteilhaften Variante wird die breitbandige Lichtquelle mit einer
Pseudozufallsfolge einer bestimmten Länge moduliert. Dabei bestimmt die Chipzeit des
Codes den minimal erforderlichen Abstand zwischen zwei Faser-Bragg-Gitter-
Sensoren. Um die Auswahl eines Sensors mittels Korrelation des detektierten Signales
mit der zeitverzögerten Bitfolge zu ermöglichen, müssen die rückreflektierten Signale
zweier benachbarter Sensoren mindestens um die Chipzeit verzögert sein. Die
Zeitverzögerung der rückreflektierten Signale ergibt sich dabei aus der doppelten
Laufzeit des Lichtes zwischen zwei Sensoren. Je kleiner die Chipzeit ist, desto kürzer
ist der notwendige Abstand zwischen zwei Sensoren. Begrenzend wirken dabei die
Modulationsbandbreite der breitbandigen Lichtquelle und die Bandbreiten der
Empfängerschaltung einschließlich Korrelator.
Die elektrische Verzögerungszeit der Bitfolge muß exakt der Laufzeit des von dem
jeweiligen Faser-Bragg-Gitter zurückreflektiertem Licht entsprechen, da nur so am
Ausgang des Korrelators ein Signal entsteht. Durch Variation der Verzögerungszeit
kann ein bestimmten Sensor ausgewählt werden. So wird die zeitsequenzielle
Auswertung aller Faser-Bragg-Gitter möglich. Eine zusätzliche Zeitverzögerung um ein
Vielfaches der Codelänge ist möglich.
Die Länge der Pseudozufallsfolge bestimmt die maximal mögliche Anzahl der Faser-
Bragg-Gitter. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, muß die Länge der
Pseudozufallsfolge größer sein als die Anzahl der auszuwertenden Faser-Bragg-Gitter.
Zur Bestimmung der Reflexionswellenlänge eines ausgewählten Faser-Bragg-Gitters
werden zunächst die Ausgangssignale der beiden Korrelatoren integriet. Gleichwertig
ist die Filterung dieser Signale mittels Tiefpaßfilter. Danach erfolgt die Bildung des
Differenzenquotienten aus den beiden elektrischen Signalen. Die Bestimmung der
Wellenlänge aus dem Differenzenquotienten erfolgt mittels einer vorher zu
bestimmenden Kalibrierkurve.
Als spektral breitbandige Lichtquelle wird vorteilhaft eine ELED eingesetzt, da dieses
Bauelement kostengünstig ist und eine Intensitätsmodulation sehr einfach über den
Diodenstrom erzielt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Anordnung wird als spektral breitbandige Lichtquelle eine
ASE-Rauschquelle eingesetzt. Diese besitzt gegenüber einer ELED eine höhere
Ausgangsleistung, was zu einer Empfindlichkeitssteigerung des Meßsystems führt. Eine
Intensitätsmodulation läßt sich durch Modulation des Pumpdiodenstromes der ASE-
Quelle oder durch einen zusätzlichen, nachgeschalteten optischen Intensitätsmodulator
erzielen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden starre Verzögerungszeiten
entsprechend der Position der jeweiligen Faser-Bragg-Gitter und eine der Anzahl der
Faser-Bragg-Gitter entsprechende Anzahl von Korrelatoren eingesetzt. Dies hat den
Vorteil, daß die Bestimmung der Reflexionswellenlängen der einzelnen Faser-Bragg-
Gitter nicht zeitsequenziell sondern parallel möglich ist. Mischvarianten durch den
teilweisen Einsatz von variablen Zeitverzögerungen sind ebenfalls denkbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Funktionsblöcke
Bitfolgengenerator, Zeitverzögerung, Korrelation, Integration bzw. Tiefpaßfilterung und
Meßwertberechnung durch einen geeigneten DSP (Digital Signal Processor)
ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung des elektrischen Teiles
der Auswerte-Einheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zur Signalteilung und
Wellenlängen-Amplituden-Wandlung des rückreflektierten optischen Signals ein GRIN-
Linsen-Koppler eingesetzt, an dessen zwischen beiden GRIN-Linsen angeordneter und
fest mit den Linsen verbundener Filterschicht die Wellenlängen-Amplituden-Wandlung
erfolgt.
Mit dieser Anordnung werden polarisationsabhängige Meßfehler nahezu vollständig
unterbunden, da der GRIN-Linsen-Koppler gegenüber bekannten faseroptischen
Kopplern, wie beispielsweise Schmelzkoppler nach einem völlig anderen Wirkprinzip
arbeitet. Seine Filtercharakteristik ist durch entsprechende Dimensionierung der
Filterschicht frei wählbar, die thermischen Einflüsse auf die Filtercharakteristik sind
ebenfalls sehr gering. Der Einsatz dieses einen kompakten Bauelementes, welches
beide Funktionen, nämlich Teilung des rückreflektierten Signals bei gleichzeitiger
Wellenlängen-Amplituden-Wandlung durchführt, unterbindet die Freistrahlung des
Lichtes, wodurch Fabry-Perot-Effekte, welche die Meßgenauigkeit verringern,
unterdrückt werden. Zusätzlich wird ein Empfindlichkeitsgewinn in Bezug auf die in der
US 5,319,435 beschriebenen Anordnung erzielt. Weitere spezielle Filter, die als
gesonderte Bauteile in die Anordnung eingebunden werden müssen, sind nicht notwen
dig. Daher ist die erfindungsgemäße Anordnung bei optimaler Meßdatenauswertung
kostengünstig herstellbar, die Auswertung der Meßdaten erfolgt auf technologisch
einfache Art und Weise.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die zur Laserstabilisierung
bekannten Wellenlängen-Locker adaptiert. Deren Ausgangssignale sind ebenfalls
wellenlängenabhängig, so daß dieses Bauelement anstelle eines GRIN-Linsen-
Kopplers eingesetzt werden kann. Es ist lediglich eine Anpassung der
Filtercharakteristik notwendig, um den möglichen Meßbereich zu vergrößern.
In einer weiteren vorteilhaften Variante wird zur Unterdrückung polarisationsabhängiger
Meßfehler, bedingt durch polarisationsabhängige Leistungsschwankungen bei der
Signalteillung und -bewertung, das von den Faser-Bragg-Gittern rückreflektierte
optische Signal vor der Wellenlängen-Amplitudenwandlung depolarisiert. Dazu kann
beispielsweise ein Lyot-Depolarisator eingesetzt werden. Dieser wird entweder
zwischen breitbandiger Lichtquelle und Koppler, zwischen Koppler und Faser-Bragg-
Gitter-Anordnung oder zwischen Koppler und GRIN-Linsen-Koppler eingefügt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die
zugehörige Zeichnung zeigt dabei in
Fig. 1: eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in
schematischer Darstellung
Nach Fig. 1 besteht die Anordnung zur Bestimmung der Reflexionswellenlänge von
Faser-Bragg-Gittern aus der Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1 und der Auswerteeinheit
2. Die Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1 besteht aus zwei oder mehreren Faser-Bragg-
Gittern 3, z. B. Faser-Bragg-Gitter-Sensoren. Die einzelnen Faser-Bragg-Gitter sind mit
Faserabschnitten 4 einer definierten Länge verbunden. Das gesamte Array besitzt
einen reflexionsfreien Abschluß 5.
Die Auswerteeinheit 2 weist eine breitbandige, mit dem Signal eines
Bitfolgengenerators 24 intensitätsmodulierte Lichtquelle, beispielsweise eine ELED 6
auf, die über einen Lichtwellenleiter 7 mit einem optischen 3 dB-Schmelzkoppler 8
verbunden ist. Ein weiterer Anschluß des Schmelzkoppler 8 bildet den Anschluß der
Auswerte-Einheit 2 zur Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1.
Der Schmelzkoppler 8 ist des weiteren direkt mit dem GRIN-Linsen-Koppler 10
verbunden. Der ungenutzte Anschluß des Schmelzkoppler 8 besitzt einen
reflexionsfreien Abschluß 9.
Der GRIN-Linsen-Koppler 10 besteht im wesentlichen aus zwei GRIN-Linsen 11 und 12
und einer zwischen beiden fest angeordneten Filterschicht 13, die als Kantenfilter
ausgebildet ist. Das rückreflektierte Signal wird über einen Eingang 14 in den GRIN-
Linsen-Koppler 10 geleitet und nach Teilung und Wellenlängen-Amplituden-Wandlung
durch zwei Ausgänge 15, 16 je einer Photodiode 17, 18 und einem Verstärker 19, 20
zur Wandlung der optischen Signale in elektrische Signale zugeführt.
Anschließend erfolgt eine Korrelation 21, 22 der detektierten elektrischen Signale mit
dem durch ein Verzögerungsglied 23 zeitverzögerten Signal des Bitfolgengenerators
24. Das Ausgangssignal der Korrelatoren wird in einem weiteren Schaltungsteil 25, 26
integriet bzw. mittels Tiefpaß gefiltert und im weiteren mit einem Analog-Digital-Wandler
27 digitalisiert und mittels eines Mikrocontrollers 28 zur Berechnung und Auswertung
einem mit entsprechender Software ausgestatteten Computer 29 weitergereicht.
Die Funktionsweise der Anordnung ist folgende:
Das von der ELED 6 kommende breitbandige, intensitätsmodulierte Licht wird mittels des Schmelzkopplers 8 zur Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1 geleitet. Jedes Faser- Bragg-Gitter 3 reflektiert einen schmalbandigen Anteil dieses Lichtes. Zusätzlich erfolgt auch eine definierte Zeitverzögerung des von den einzelnen Faser-Bragg-Gittern reflektierten optischen Signales abhängig von der Position der Faser-Bragg-Gitter. Die Zeitverzögerung wird bestimmt durch die Länge der zwischengeschalteten Faserabschnitte 4.
Das von der ELED 6 kommende breitbandige, intensitätsmodulierte Licht wird mittels des Schmelzkopplers 8 zur Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1 geleitet. Jedes Faser- Bragg-Gitter 3 reflektiert einen schmalbandigen Anteil dieses Lichtes. Zusätzlich erfolgt auch eine definierte Zeitverzögerung des von den einzelnen Faser-Bragg-Gittern reflektierten optischen Signales abhängig von der Position der Faser-Bragg-Gitter. Die Zeitverzögerung wird bestimmt durch die Länge der zwischengeschalteten Faserabschnitte 4.
Die rückreflektierten Signale werden über den Koppler 8 zum GRIN-Linsen-Koppler 10
geleitet. Hier wird das Leistungsspektrum des rückreflektierten Lichtes entsprechend
der vorgegebenen Filtercharakteristik in unterschiedliche Leistungsteile für
Transmission und Reflexion aufgeteilt. Dabei erfolgt gleichzeitig die Bewertung des
schmalbandigen optischen Signals durch Wellenlängen-Amplituden-Wandlung. Die
dadurch erhaltenen zwei Signale unterschiedlicher Wertigkeit werden über die
Ausgänge 15 und 16 des GRIN-Linsen-Kopplers 10 jeweils einer Photodiode 17 oder
18 und einem Verstärker 19 oder 20 zugeleitet und in analoge Spannungen wei
terverarbeitet. Diese Spannungswerte werden mit dem zeitverzögerten Signal des
Bitfolgengenerators 24 korreliert 21, 22, wobei die Zeitverzögerung 23 so eingestellt
wird, daß sie der Laufzeit des von einem bestimmten Faser-Bragg-Gitter reflektierten
Signales entspricht und ein starkes Autokorrelationssignal entsteht. Eine zusätzliche
Zeitverzögerung um ein Vielfaches der Dauer einer Bitfolge ist möglich. Die
Zeitverzögerung 23 wird vom PC 29 oder Mikrokontroller 28 gesteuert. Durch
Veränderung der Verzögerungszeit können so alle Faser-Bragg-Gitter 3 nacheinander
ausgewertet werden. Die Ausgangssignale der Korrelatoren 21, 22 werden integriert
bzw. mittels Tiefpaß gefiltert 25, 26, im Analog-Digital-Wandler 27 digitalisiert und im
Mikrokontroller 28 oder im Computer 29 entsprechend berechnet, gespeichert und
ausgewertet. Durch Bildung des Differenzenquotienten erhält man einen
dämpfungsunabhängigen Meßwert. Zur Berechnung der Wellenlänge wird ein Polynom
n-ter Ordnung verwendet, welches zuvor durch die Aufnahme einer Eichkurve ermittelt
wurde. Handelt es sich bei den Faser-Bragg-Gittern um Sensoren, so erfolgt im
Bedarfsfall noch die Umrechnung des Meßwertes in die gemessene physikalische
Größe unter Berücksichtigung der konkreten Faser-Bragg-Gitter-Parameter.
Durch die Korrelationstechnik wird also die Auswertung eines spezifischen Faser-
Bragg-Gitters möglich, da nur bei exakt gleichen Laufzeiten der korrelierten Signale ein
starkes Autokorrlationssignal entsteht. Stimmen die Laufzeiten nicht überein, entsteht
kein Korrelationssignal, diese Signalanteile werden nicht berücksichtigt. Um ein
Übersprechen der Signale zweier benachbarter Faser-Bragg-Gitter zu vermeiden, muß
die Zeitverzögerung größer sein als die Chipzeit der verwendeten Bitfolge. Weiterhin
muß die Länge der Bitfolge größer sein als die Anzahl der Faser-Bragg-Gitter. Die
Wellenlänge wird aus dem Verhältnis der integrierten bzw. gefilterten Ausgangssignale
der Korrelatoren ermittelt.
1
Faser-Bragg-Gitter-Anordnung
2
Auswerteeinheit
3
Faser-Bragg-Gitter, Faser-Bragg-Gitter-Sensor
4
Faserabschnitt definierter Länge
5
reflexionsfreier Abschluß
6
breitbandige, intensitätsmodulierbare Lichtquelle
7
Lichtleitfaser
8
optischer Koppler, z. B. 3 dB-Schmelzkoppler
9
reflexionsfreier Abschluß
10
GRIN-Linsen-Koppler
11
GRIN-Linse
12
GRIN-Linse
13
Filterschicht
14
Eingang
15
Ausgang
16
Ausgang
17
Photodiode
18
Photodiode
19
elektrischer Verstärker
20
elektrischer Verstärker
21
Korrelator
22
Korrelator
23
einstellbare Zeitverzögerung
24
Bitfolgengenerator
25
Integrator
26
Integrator
27
A/D-Wandler
28
Mikrokontroller
29
Computer
Claims (11)
1. Anordnung zur Bestimmung der Reflexionswellenlängen von hintereinander
geschalteten Faser-Bragg-Gittern, bestehend aus einer Faser-Bragg-Gitter-
Anordnung (1) und einer Auswerte-Einheit (2) zur Bestimmung der
Reflexionswellenlänge der einzelnen Faser-Bragg-Gitter (3), basierend auf dem
Prinzip der Wellenlängen-Amplituden-Wandlung des von den Faser-Bragg-Gittern
(3) rückreflektierten Lichtes, wobei die einzelnen Faser-Bragg-Gitter (3)
in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind, die Auswerte-Einheit
(2) eine spektral breitbandige, mit einer bestimmten Bitfolge intensitätsmodulierte
Lichtquelle (6) aufweist, deren Licht über eine Lichtleitfaser (7) und einen
optischen Koppler (8) zur Faser-Bragg-Gitter-Anordnung (1) geführt wird, das
rückreflektierte Licht über den optischen Koppler (8) zu einem speziellen
optischen Filter (10) geführt wird, der so ausgeführt ist, daß sowohl eine
Signalteilung als auch eine Wellenlängen-Amplituden-Wandlung wenigstens
eines Teilsignals erfolgt, diese Signale zu Photodioden (17; 18) geführt werden
und eine Wandlung in elektrische Signale erfolgt, und den Photodioden (17; 18)
Korrelatoren (21; 22) nachgeordnet sind, deren Eingangssignale die elektrisch
gewandelten Signale und die variabel zeitverzögerte bestimmte Bitfolge sind und
nachfolgend Mittel (25; 26, 27, 28, 29) für eine Zuordnung zwischen gewonnenen
Meßwert und dem entsprechenden Faser-Bragg-Gitter aufgrund der
Zeitverzögerung der bestimmten Bitfolge vorgesehen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Bitfolge eine Pseudozufallsfolge ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Chipzeit der Bitfolge entsprechend dem
Abstand der einzelnen Faser-Bragg-Gitter (3) gewählt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Länge der Pseudozufallsfolge
größer ist als die Anzahl der Faser-Bragg-Gitter (3).
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der für eine schnelle parallele
Auswertung aller Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (3) eine der Sensoranzahl
entsprechende Anzahl von Korrelatoren (20; 21) mit auf die jeweilige
Sensorposition abgestimmten, konstanten Verzögerungszeiten vorgesehen ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der als breitbandige
Lichtquelle (6) eine ELED vorgesehen ist und die Ampitudenmodulation durch
direkte Modulation des ELED-Stromes erzielt wird.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der als breitbandige
Lichtquelle (6) eine ASE-Rauschquelle vorgesehen ist und eine
Intensitätsmodulation durch Modulation des Pumpdiodenstromes oder durch
einen nachgeschalteten optischen Intensitätsmodulator erzielt wird.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Funktionsgruppen
Bitfolgengenerator (24), variable Zeitverzögerung (23), Korrelatoren (21, 22),
Signalfilterung (9, 10), A/D-Wandler (27) und Meßwertberechnung ganz oder
teilweise in einen DSP (Digital Signal Processor) oder einem vergleichbaren
Schaltkreis integriert sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Auswerteeinheit (2) zur
Signalteilung und Wellenlängen-Amplituden-Wandlung des rückreflektierten
optischen Signals einen GRIN-Linsen-Koppler (10) aufweist, an dessen zwischen
beiden GRIN-Linsen angeordneter und fest mit den Linsen verbundener
Filterschicht die Wellenlängen-Amplituden-Wandlung erfolgt.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Auswerteeinheit (2) zur
Signalteilung und Wellenlängen-Amplituden-Wandlung des rückreflektierten
optischen Signals einen sogenannten Wellenlängen-Locker aufweist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zur Unterdrückung
polarisationsabhängiger Meßfehler das von den Faser-Bragg-Gittern (3)
rückreflektierte optische Signal vor der Wellenlängen-Amplitudenwandlung Mittel
zur Depolarisierung durchläuft.
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- 2000-11-30 DE DE2000161147 patent/DE10061147C2/de not_active Expired - Fee Related
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