DE10145912B4

DE10145912B4 - Faseroptischer interferometrischer Sensor, Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Sensors und Speichermedium

Info

Publication number: DE10145912B4
Application number: DE10145912A
Authority: DE
Inventors: Koji Okamoto; Koji Hirose
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: US7043102B2; DE10145912A1; US20030039428A1; JP2002090111A; JP3549153B2

Abstract

Faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, dessen Größe sich in Abhängigkeit von Änderungen einer physikalischen Größe, z.B. Kraft, mechanische Spannung, Druck, Temperatur, verändert, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit einem Sensor (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen interferometrischen Sensor, der nach dem Prinzip des Fabry-Perot-Interferometers arbeitet (nachfolgend faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor genannt), bei dem Licht von einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu einem Lichtwellenleiter eines Sensors mit einem bestimmten gemessenen Zwischenraum geleitet wird, parallele Flächen ausgebildet sind, an den einander gegenüberliegenden Abschlußflächen der Lichtwellenleiter teilweise reflektierende Spiegel liegen, das reflektierte und durchgehende Licht jeweils eine Modulation der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge und entsprechend der Größe des gemessenen Zwischenraums erfährt und von den Lichtwellenleitern durch eine Vielfach-Reflexion am gemessenen Zwischenraum geleitet wird, eine optische Intensität zeitlich aufeinanderfolgend bei verschieden großen Zwischenräumen mit dem Sensor zur Feststellung der optischen Intensitätverteilung gemessen wird, und entweder eine Position minimaler optischer Intensität oder eine Position maximaler optischer Intensität berechnet wird, um den gemessenen Zwischenraum zu messen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor, welcher eine Signalverarbeitung vorzugsweise in einem faseroptischen interferometrischen Deformationssensor ausführt, bei welchem der gemessene Zwischenraum durch eine Verschiebung des deformierten Segments variiert wird, ein Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Sensors und ein Speichermedium.
2. Stand der Technik
US 5,907,403 und US 6,057,911 offenbaren faseroptische Sensoren mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen. In beiden wird eine kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle verwendet. US 4,596,466 offenbart ein faseroptisches Meßsystem mit zwei oder mehr Interferometern. Dabei wird kohärentes, breitbandiges Licht in zwei Teillichtstrahlen aufgetrennt, die durch zwei Arme unterschiedlicher Länge eines Interferometers geleitet werden. DE 689 09 320 T2 offenbart einen doppelten, entweder seriell oder parallel angeordneten interferometrischen Sensor sowie seine Anwendung in einer interferometrischen Meßvorrichtung, in der Breitbandlicht aus einer oder zwei Leuchtdioden verwendet wird. Der Doppelsensor dient zur gleichzeitigen Bestimmung von Druck und Temperatur.
Der erfindungsgemäße faseroptische interferometrische Sensor mit einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle mit breitem Spektralbereich, d.h. einer Weißlichtquelle mit vielen Wellenlängen, besitzt ein Merkmal, welches man bei faseroptischen interferometrischen Sensoren nicht findet, die eine hoch kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle, wie z.B. eine Laserlichtquelle, einsetzen.
Der mit schwacher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß beruht auf einem bekannten Prinzip der klassischen Optik, das bereits in M. Born und E. Wolfs "Principles of Optics", 6te Auflage (Pergamon Press) (Oxford, London, New York, 1980) beschrieben wird. Dieses Prinzip kommt jedoch erst im Zusammenhang mit faseroptischen interferometrischen Sensoren richtig zur Geltung.
Ein System, bei dem der mit schwacher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß bei einem faseroptischen interferometrischen Sensor angewandt wird, wird auch bereits in dem Artikel von D.A. Jackson "Monomode optical fiber interferometers for precision measurement", J.Phys.E: Sci. Instrum., Vol. 18, S. 981–1001 (1985) beschrieben.
Im Gegensatz zu dem mit schwacher Kohärenz arbeitenden Interferenzprozeß entwickelte sich der mit hoher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß mit der Entwicklung des Lasers weiter, und es wurden damit daraufhin Hochpräzisionsmessungen realisierbar. Bei dem mit hoher Kohärenz arbeitenden Interferenzpro zeß wird eine Phasendifferenz, d.h. ein Unterschied in der optischen Weglänge, im wesentlichen durch Abzählen der Interferenzstreifen gemessen. Aus diesem Grund geht, wenn das Meßsystem ausgeschaltet wird, die bis dahin in ihm gespeicherte Information verloren, und ein absoluter Wert der optischen Weglängendifferenz läßt sich nicht gewinnen.
Darüber hinaus nutzt der mit hoher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß eine Wellenlänge des als Lichtquelle dienenden Lasers als Referenzwert. Dementsprechend kann im Falle eines mit hoher Kohärenz arbeitenden Interferenzprozesses die Hochpräzisionsmessung nur dann realisiert werden, wenn die Laserwellenlänge in hohem Maße stabilisiert ist.
Im Gegensatz dazu verfügt der mit schwacher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß über einige Merkmale, die der mit hoher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß nicht aufweist, nämlich daß der absolute Wert der optischen Weglängendifferenz des Interferometers gemessen werden kann und kaum durch Veränderungen des Wellenlängenspektrums der Lichtquelle beeinflußt wird. Dieser Prozeß kann auf viele verschiedene physikalische Größen angewandt werden, wenn die gemessenen Parameter in Verschiebungen umgewandelt werden können. Darüber hinaus macht dieser Prozeß die Ausführung ihrer absoluten Messung möglich.
So ist der mit schwacher Kohärenz arbeitende Interferenzprozeß ein sehr präziser Meßprozeß, der das Problem der Findung des Grades des Interferenzstreifens bei dem mit hoher Kohärenz arbeitenden Interferenzprozeß und das Problem des stabilen Betriebs der Lichtquelle überwindet, während einige zum Interferenzprozeß gehörende Merkmale ausgenutzt werden.
Ein faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor, der die schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle eines faseroptischen interferometrischen Sensors nach dem Stand der Technik benutzt, besitzt eine einfache Struktur, so daß er für einen Hochpräzisionssensor geeignet ist.
Als zum Stand der Technik gehörender faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor mit einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle wird bereits in dem US-Patent Nr. 5.392.117 (erteilt am 21. Februar 1995; Belleville et al. "Fabry-Perot optical sensing device for measuring a physical parameter") und in dem US-Patent Nr. 5.202.939 ein faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor beschrieben, wobei gemäß den Beschreibungen hier ein in Abhängigkeit von der Wellenlänge in der optischen Intensität moduliertes Lichtsignal von einem Sensor räumlich linear am Sensor gesammelt wird, das Lichtsignal zu einem Fizeau-Interferometer geführt wird, eine optische Korrelation zur Demodulation des Lichtsignals am Fizeau-Interferometer erzeugt wird und dieses durch einen linearen Bildsensor detektiert wird.
Es wird nachfolgend ein Beispiel für ein faseroptisches interferometrisches Fabry-Perot-Deformationssensorsystem, das in dem zuvor genannten US-Patent 5.392.117 dargestellt ist, beschrieben.
Die 27A und 27B zeigen schematisch Anordnungen eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Deformationssensors. 27A zeigt die gesamte Anordnung des faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Deformationssensors, und 27B zeigt schematisch das Meßsystem.
Gemäß 28 bildet das Fabry-Perot-Interferometer in einem Paar einander gegenüberliegender paralleler ebener Scheiben optisch teilweise reflektierende Schichten F1, F2, wobei ein vorherbestimmter Zwischenraum der Größe d (=G) gelassen wird, in dem eine Vielfachreflexion stattfindet durch wiederholte Reflexion in dem Zwischenraum, und eine große Anzahl optischer Flüsse haben Teil an der Interferenz (vielfache Interferenz des optischen Flusses), wodurch eine wellenlängenselektive Charakteristik der optischen Welle verstärkt wird. Die später beschriebene Erfindung nutzt dieses Merkmal ebenso aus. In diesem Fall ist der Zwischenraum (d) entweder mit einem Vakuum oder mit einem Medium, wie z.B. Luft, welches transparent für die verwendete Lichtquelle ist, gefüllt.
Der Aufbau eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Deformationssensors wird im folgenden beschrieben.
Gemäß 27(a) hat der Deformationssensor einen Grundaufbau, bei dem teilweise reflektierende Schichten F1, F2, die aus einer dünnen Schicht, die einen teilweise reflektierenden Spiegel bildet, bestehen, an der Oberfläche eines jeden Endes der einander gegenüberliegenden Lichtwellenleiter 101, 102 gebildet werden, wobei ein Zwischenraum der Größe G (=d) gelassen wird. Darüber hinaus werden die einander am Sensorteil 100 gegenüberliegenden Lichtwellenleiter 101, 102 in ein mikrokapillares Rohr 103 eingefügt und mit der vorbestimmten Zwischenraumgröße G dort angebracht. Ferner sind die Lichtwellenleiter an dem zu einer Meßgerät-Länge L_G gehörenden Teil des mikrokapillaren Rohres 103 angeschmolzen und befestigt.
Wenn das mikrokapillare Rohr 103, das den faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Deformationssensor bildet, mit Haftmittel oder ähnlichem an dem zu messenden Gegenstand befestigt wird, wird die Länge L_G durch eine Deformation des gemessenen Gegenstands und entsprechend die Zwischenraumgröße G verändert. Die Deformation eines gemessenen Gegenstands kann anhand einer Veränderung der Zwischenraumgröße G (29) gemessen werden. Da ferner eine schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle mit einem einen breitem Wellenlängenbereich umfassenden Wellenlängenspektrum verwendet wird, wird für die Lichtwellenleiter 101, 102 eine Multimodeglasfaser verwendet.
Obwohl sowohl die reflektierte als auch die transmittierte optische Welle, deren optische Intensitäten in Abhängigkeit von der Wellenlänge am Sensorteil 100 moduliert werden, als Lichtsignal genutzt werden können, wird als Beispiel das reflektierte Licht beschrieben.
Die in der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge modulierte optische Welle, die am Sensorteil 100 reflektiert und zurückgegeben wird, wird durch einen [2 × 2]-Koppler 107 geteilt und zu einem Teil 108 zur Demodulation des optischen Signals übertragen.
Gemäß 29 wird nun das Erfassungsprinzip dieses Typs des faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Deformationssensors beschrieben.
Das in bezug auf die optische Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge modulierte Lichtsignal wird vom Sensor 100 zum Demodulator 108 des optischen Signals übertragen, in den Raum abgestrahlt, durch ein optisches System 108a, bestehend z.B. aus einem kollimierendem Linsensystem und einem Sammellinsensystem kollimiert, hinter welchem das Licht linear gesammelt ist (in Form eines parallelen Lichtstrahls).
Das linear gesammelte Lichtsignal wird vielfach reflektiert an jeder Stelle eines sich verjüngenden Zwischenraums eines Fabry-Perot-Interferometers vom Keiltyp, d.h. eines Fizeau-Interferometers 108b, bei dem gegenüberliegende Flächen nur in einem minimalen Winkel γ geneigt sind, und zwar im wesentlichen in der gleichen Art wie bei dem vorher genannten Sensorteil 100. Eine optische Korrelation mit der Charakteristik des Wellenlängenspektrums wird erzeugt, und die optische Intensität wird zu einem Minimum an der Position, wo die Zwischenraumgröße des Fizeau-Interferometers 108b mit der Zwischenraumgröße G des Sensorteils 100 übereinstimmt (im Falle der Transmission wird sie zu einem Maximum und im Falle der Reflexion zu einem Minimum).
Dieses optische Intensitätssignal wird z.B. durch einen linearen Bildsensor 108c erfaßt, der aus einer CCD (kapazitätsgekoppelte Vorrichtung) oder einer ähnlichen Vorrichtung besteht, und ein Abstand vom Keilende zu einem Ort, an dem die optische Intensität ein Minimum [L_min(d) |_d=G] aufweist, wird wie in der 29 gezeigt, berechnet, wodurch eine absolute Messung der Zwischenraumgröße G am Zwischenraum des Sensorteils 100 ausgeführt werden kann mit [G = L_min(G)·tan(g)]. Eine Deformation ε kann ausgedrückt werden als
Wenn in diesem System eine hoch kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle verwendet werden würde, dann würde das optische Korrelationssignal gestreut, wodurch es schwierig wäre, eine Minimum- oder eine Maximumposition zu erfassen.
In der 30 ist ein Beispiel einer Simulation eines Ausgangssignals des Sensorsystems dargestellt, wenn bei einer zentralen Wellenlänge λ₀ = 850 nm ihre Halbwertsbreite Δλ jeweils auf 5 nm, 25 nm und 60 nm eingestellt ist. Es wird deutlich, daß das optische Korrelationssignal und ein Nulldurchgangslängen-Interferenzbereich des Fizeau-Interferometers 108b ausgedehnt und das Wahrnehmen einer Minimumposition des optischen Korrelationssignals schwierig wird, wenn die Spektrumhalbwertsbreite schmal und das Licht der Lichtquelle hoch kohärent wird. In 30 entspricht eine Abszissenposition von 1,0 dem Zwischenraum.
Ein schematisches Blockdiagramm für ein System vom Transmissionstyp des zuvor genannten Meßsystems ist in 31 dargestellt, und ein schematisches Blockdiagramm eines Systems vom Reflexionstyp ist in 32 gezeigt.
In den 33A und 33B wird ein Beispiel eines simulierten Ausgangssignals des vorher genannten Systems dargestellt. Ein von einer gestrichelten Linie umschlossener Teil in 33A entspricht einem optischen Korrelationssignal, welches eine Information über den Zwischenraum des Sensorteils 100 enthält. 33B zeigt einen vergrößerten optischen Korrelationssignalteil. Eine Position bei 1,0 auf der Abszisse entspricht der Position des Zwischenraums.
Darüber hinaus gibt es ein Signal in der Nähe der Null-Position neben dem Ende des Keils des Fizeau-Interferometers 108b, eingeschlossen durch eine Strichpunktlinie in 33A, welches allein durch das Fizeau-Interferometer 108b erzeugt wird und, da dieses eine schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle einsetzt, in der Nähe der Position liegt, wo der Zwischenraum des Fizeau-Interferometers 108b Null beträgt. Dies ist kein Signal, welches durch eine optische Korrelation zwischen dem Sensorteil 100 und dem Fizeau-Interferometer 108b erzeugt wird. Dieser Signalteil wird als ein Nulldurchgangslängen-Interferenzbereich definiert.
In den 34A und 34B sind Blockdiagramme eines Meßsystems für einen Vergleichstest in bezug auf einen Unterschied zwischen dem optischen Korrelationssignal und der Nulldurchgangslängen-Interferenz gezeigt.
In 34 ist das Fabry-Perot-Interferometer mit festem Zwischenraum gemäß 34B ein Fabry-Perot-Interferometer, bei dem, nachdem die teilweise reflektierenden Schichten an den Endoberflächen der beiden Lichtwellenleiter gebildet sind, diese in mikrokapillare Rohre eingeführt werden, wobei ihre Endoberflächen sich anschauen und mit einem Zwischenraum versehen aneinander befestigt werden, wodurch es einen ähnlichen Aufbau wie der zuvor genannte faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Deformationssensor gemäß 27 aufweist und als Sensor fungieren kann. Die Fabry-Perot-Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum gemäß den 34A und 34B sind so hergestellt, daß, nachdem die teilweise reflektierenden Schichten (z.B. dünne TiO₂-Schichten) an den Endoberflächen der zwei Lichtwellenleiter ausgebildet sind, jede von ihnen einer Piezostufe gegenüberliegt, sie miteinander verbunden und aneinander befestigt werden, und ihr Zwischenraum veränderbar gehalten wird, damit sie als ein Fizeau-Interferometer 108b des Teils 108 zur Demodulation des optischen Signals gemäß 27A dienen können.
Das Fizeau-Interferometer 108B arbeitet, indem es ein Lichtsignal vom Sensor 100 einmal mit einem Interferometer mißt, welches einen Keil aufweist, während es räumlich gedehnt wird, und auf der anderen Seite wird das Fabry-Perot-Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum angewandt, um für jede Zwischenraumgröße eine Messung durchzuführen, während die Zwischenraumgröße sukzessive verändert wird. In diesem Fall wurde als Lichtquelle eine LED (Licht emittierende Diode) (L7560[HAMAMATSU]), als Lichtwellenleiter eine Multimodeglasfaser (GI50/125, NA=0,12) und als Piezostufe ein Dreiachsen-Nanopositionierungsabschnitt (17AN001/MD[MELLESGRIOT]) verwendet.
In den 35A und 35B werden Änderungen des Ausgangssignals des optischen Leistungsmessers in den beiden Meßsystemen gemäß den 34A und 34B dargestellt für den Fall, daß die Messung durchgeführt wurde, während die Zwischenraumgröße des Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbarem Zwischenraum an der Piezostufe in geringem Maße verändert wird.
Wie oben beschrieben, ist der Nulldurchgangslängen-Interferenzbereich dort, wo die Zwischenraumgröße des Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbarem Zwischenraum nahezu Null ist, bei jedem Typ Meßsystem vorhanden, obwohl das optische Korrelationssignal nur vorhanden ist, wenn das als Sensor verwendete Fabry-Perot-Interferometer mit festem Zwischenraum vorhanden ist, und die Minimumposition des Signals entspricht dabei der Zwischenraumgröße des Fabry-Perot-Interferometers mit festem Zwischenraum. Ein ähnliches Ergebnis wie bei diesen Systemen kann auch durch Simulation gezeigt werden.
Um die in den 40A und 40B gezeigten Ausgangssignale bei einer in der Praxis realisierten Ausführung des Sensormeßsystems zu erhalten und um ein Hochpräzisionsmeßsystem zu realisieren, ist es notwendig, beim linearen Bildsensor Ausgangssignale in Form zeitlich aufeinanderfolgender Wellen zu erhalten, die eine reine Wellenform mit geringer Schwankung und geringem Rauschen niedriger Frequenz und ebenso ein hohes S/N-Verhältnis (Rauschabstand) aufweisen.
Um das eben Dargelegte zu erreichen ist es notwendig, eine Einstellung (Feineinstellung) zur hochpräzisen Ausrichtung des optischen Systems, welches eine kollimierende Linse, eine Sammellinse, ein Fizeau-Interferometer, einen linearen Bildsensor und ähnliches enthält, vorzunehmen. Weiterhin weist der lineare Bildsensor eine Tendenz zur Erzeugung eines starken Rauschens bei der Erfassung auf, wodurch das Erfassungssystem kompliziert werden kann.
In Anbetracht des eben Dargelegten kann es in Erwägung gezogen werden, das hochpräzise Sensormeßsystem dadurch zu realisieren, daß ein Signal geschaffen wird, das als Hintergrund wirkt und bei dem das optische Korrelationssignal vom Meßbereich (Nennbereich des Sensors) abgelöst ist, eine Folge von Signalverarbeitungsschritten auf der Basis dieser Daten durchgeführt wird und nicht benötigte Signale wie Schwankungen und Rauschen niedriger Frequenz oder ähnliches entfernt werden. In diesem faseroptischen interferometrischen Sensor reichen die die Belastung charakterisierenden Werte über den Meßbereich zur Zeit der Kalibrierung hinaus, und die Daten des Meßbereichs werden als Hintergrunddaten verwendet. Dieses Verfahren bewirkt, daß ein Hochpräzisionsmeßsystem durch Anpassung eines geeigneten optischen Systems realisiert werden kann und die Kosten reduziert werden können.
Wenn jedoch in diesem System die Bereiche des Wellenlängenspektrums der Lichtquellen einander gleichen, so weichen die Signalformen des Ausgangssignals des Sensorsystems kaum voneinander ab. So werden gemäß den 36A bis 38 Simulationsbeispiele für Signalformen des Ausgangssignals des Sensorsystems (37 und 38) von Lichtquellen mit vier verschiedenen wellenlängenabhängigen Spektralverteilungen (36) gezeigt, bei denen die Bereiche des Wellenlängenspektrums der Lichtquellen einander annähernd gleichen. Darüber hinaus wird diese Tatsache auch durch ein Experiment gemäß den 39A, 39B und 40 bestätigt.
So zeigen die 36A, 36B, 36C und 36D ein Ergebnis einer Simulation einer wellenlängenabhängigen Spektralverteilung, ein Spektrum des Reflexionssignals eines Sensors und ein wellenlängenabhängiges Spektrum nach dem Durchqueren eines Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbarem Zwischenraum für die Lichtquelle 1, die Lichtquelle 2, die Lichtquelle 3 und die Lichtquelle 4, welche vier verschiedene wellenlängenabhängige Spektralverteilungen mit im wesentlichen gleichem Spektralbereich der Lichtquellenwellenlänge haben. Hinsichtlich des wellenlängenabhängigen Spektrums unterscheiden sich die Signalformen dieser vier Lichtquellen (Lichtquelle 1 bis Lichtquelle 4) wesentlich voneinander. Darüber hinaus zeigen (a), (b), (c) und (d) in 37 und (a), (b), (c) und (d) in 38 Simulationsergebnisse der Ausgangssignale der Lichtintensität des Lichtsignals, welches durch das Fabry-Perot-Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum hindurchgeht, und zwar in Abhängigkeit von dem Zwischenraum bei Lichtquelle 1 bis Lichtquelle 4. In diesem Fall betrug der Zwischenraum des Sensors 20 μm. Wie aus 38 ersichtlich, sind, ungeachtet der Tatsache, daß die Formen des wellenlängenabhängigen Spektrums der Lichtquellen 1 bis 4 im wesentlichen unterschiedlich sind, die Signalformen des optischen Korrelationssignals bezüglich der Lichtquellen 1 bis 4 einander sehr ähnlich.
Die 39A und 39B zeigen eine Spektralverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge von zwei LED-Lichtquellen (L7560 [HAMAMATSU] und RLE8P4-002 [DAIDO STEEL CO., LTD.], und die 40A und 40B zeigen ein experimentelles Meßergebnis dieser optischen Korrelationssignale. Das wellenlängenabhängige Spektrum von RLE8P4-002 ist im Vergleich zu dem von L7560 zu längeren Wellenlängen hin verschoben und die Ausdehnung des Spektrums ist etwas eng, so daß die zugehörigen Wellenformen des optischen Korrelationssignals ausgedehnt sind, obgleich sie ungeachtet der Tatsache, daß die Signalformen des Spektrums sich unterscheiden, ähnliche Ausgangssignalformen der optischen Korrelation ergeben.
Wie oben beschrieben wird die Tatsache, daß sich ganz ähnliche Ausgangssignalformen der optischen Korrelation ungeachtet verschiedener Formen des Spektrums erzielen lassen, zu einem sehr wichtigen Faktor für die Realisierung eines hochpräzisen Sensors. So wird die Signalform des optischen Korrelationssignals nicht verändert, auch wenn das wellenlängenabhängige Spektrum der Lichtquelle aufgrund einer äußerlichen Störung, wie einer Temperaturänderung oder ähnlichem, in einem bestimmten Grad verändert wird, und eine Position des Zwischenraums der Sensoren kann in stabiler Weise gemessen werden. Weiterhin bewirkt eine breite Ausdehnung der wellenlängenabhängigen Spektralverteilung der Lichtquelle keine Ausdehnung des optischen Korrelationssignals, und der Einfluß nicht benötigter Störanteile wird reduziert. Daher ist es nicht notwendig, einen hochstabilen Zustand der Lichtquelle zu gewährleisten, und es wird möglich, ein hochpräzises Sensorsystem kostengünstiger zu realisieren.
ZUSAMNMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist im Hinblick auf die zuvor dargelegten Gegebenheiten entwickelt worden, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischen interferometrischen Sensor, ein Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Sensors und ein Speichermedium zu schaffen, in welchen der Einfluß durch nicht benötigte Signalanteile wie Schwankungen und Rauschen niedriger Frequenzen mit einer einfachen Anordnung wirksam entfernt oder vermindert werden kann und das hochpräzise Meßergebnis durch eine einfache oder bequeme Einstellung des optischen Systems oder durch eine einfache Signalverarbeitung des erfaßten Signals erreicht werden kann.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 1 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der ein hochpräzises Meßergebnis auch mit einer einfachen Anordnung, die das Signalverarbeitungssystem umfaßt, erreichen kann.
Darüber hinaus ist es eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 2, einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der eine wirksame Messung insbesondere in dem Fall ausführen kann, daß ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil in dem gemessenen Signal enthalten ist.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 3 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, bei dem die Hochpräzisionsmessung mit einer einfachen Anordnung realisiert werden kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 4 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der einen nicht benötigten Signalanteil wirksamer entfernen oder vermindern kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 5 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der entweder ein Entfernen oder ein Vermindern eines nicht benötigten Signalanteils durch eine einfache und wirksame Verarbeitung realisieren kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 6 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der entweder ein Entfernen oder ein Vermindern eines nicht benötigten Signalanteils durch eine einfache und wirksame Verarbeitung realisieren kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 7 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der entweder ein Entfernen oder ein Vermindern eines nicht benötigten Signalanteils wirksamer vornehmen und eine Hochpräzisionsmessung realisieren kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 8 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der eine Hochpräzisionsmessung durch eine einfache Anordnung realisieren kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 9 ist es, insbesondere ein Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Sensors zu schaffen, das ein hochpräzises Meßergebnis auch mit einer einfachen Anordnung, die ein Signalverarbeitungssystem umfaßt, erreichen kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 10 ist es, insbesondere ein Signalverarbeitungssystem für einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, das eine wirksame Messung auch in dem Fall vornehmen kann, daß das Signal nicht benötigte hochfrequente Anteile enthält.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 11 ist es, insbesondere ein Speichermedium zu schaffen, das von einem Computer gelesen werden kann und auf dem ein Programm gespeichert ist, welches es ermöglicht, daß ein hochpräzises Meßergebnis auch mit einer einfachen Anordnung, die auch ein Signalverarbeitungssystem zur Verarbeitung des Signals des faseroptischen interferometrischen Sensors durch den Computer enthält, erzielt wird.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 12 ist es, insbesondere ein Speichermedium zu schaffen, das von einem Computer gelesen werden kann und auf dem ein Programm gespeichert ist, welches die Ausführung einer wirksamen Messung auch in dem Fall ermöglicht, daß das gemessene Signal des faseroptischen interferometrischen Sensors bei der Verarbeitung durch den Computer einen nicht benötigten hochfrequenten Anteil enthält.
Insbesondere ist eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 13, einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der ein hochpräzises Meßergebnis mit einer einfachen Anordnung erreichen kann.
Darüber hinaus ist eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 14, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der einen nicht benötigten hochfrequenten oder niederfrequenten Anteil wirksam entfernen oder beschränken kann.
Darüber hinaus ist eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 15, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der einen nicht benötigten hochfrequenten oder niederfrequenten Anteil wirksam entfernen oder beschränken kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 16 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der einen nicht benötigten Signalanteil wirksamer entfernen oder beschränken kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 17 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der einen nicht benötigten Signalanteil wirksam entfernen oder beschränken und eine Hochpräzisionsmessung realisieren kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 18 ist es, insbesondere einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, der einen nicht benötigten Signalanteil wirksamer entfernen oder beschränken und eine Hochpräzisionsmessung realisieren kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 19 ist es, insbesondere ein Signalverarbeitungssystem für einen faseroptischen interferometrischen Sensor zu schaffen, das ein hochpräzises Meßergebnis auch mit einer einfachen Anordnung verwirklichen kann.
Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Gegenstands von Anspruch 20 ist es, ein Speichermedium zu schaffen, das von einem Computer gelesen werden kann und auf dem ein Programm gespeichert ist, mit dem bei einer Verarbeitung des Signals eines faseroptischen interferometrischen Sensors durch den Computer auch mit einer einfachen Anordnung des Meßsystems ein hochpräzises Meßergebnis erreicht werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend im Detail beschrieben.
1 zeigt in einem Blockdiagramm eine Anordnung einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps mit einer erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform eines faseroptischen interferometrischen Sensors.
2 zeigt in einem Blockdiagramm eine detaillierte Anordnung eines Signalverarbeitungsteils der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
3 zeigt in einem Flußdiagramm einen Ablauf der Signalverarbeitung hauptsächlich im Signalverarbeitungsteil der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
4 zeigt ein wellenlängenabhängiges Spektrum mit einer Verteilung der Wellenlängenanteile der Lichtquelle nach dem Durchgang durch die optische Faser, die bei einer tatsächlichen Messung mit der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1 verwendet wird.
5A zeigt ein reales Ausgangssignal des optischen Leistungsmessers bei der Verwendung einer Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle, wenn auf die faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1 eine Belastung ausgeübt wird.
5B zeigt ein reales Ausgangssignal des optischen Leistungsmessers bei der Verwendung einer LED als Lichtquelle, wenn auf die faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1 eine Belastung ausgeübt wird.
5C zeigt ein reales Ausgangssignal des optischen Leistungsmessers bei der Verwendung einer SLD als Lichtquelle, wenn auf die faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps eine Belastung ausgeübt wird.
6A zeigt die Signalform des optischen Kreuz-Korrelationssignals, das aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignaldaten bei der Verwendung einer Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1 ermittelt wurde.
6B zeigt die Signalform des optischen Kreuz-Korrelationssignals, das aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignaldaten bei der Verwendung der LED als Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1 ermittelt wurde.
6C zeigt die Signalform des optischen Kreuz-Korrelationssignals, das aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignaldaten bei der Verwendung der SLD als Lichtquelle im faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1 ermittelt wurde.
Die 7A und 7B und 7C zeigen zum Vergleich die Ausgangssignale, bei denen ein Hintergrundsignal entfernt wurde.
7A zeigt die Signalform des Signals mit entferntem Hintergrundsignal bei Verwendung der Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle in der faseropti schen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
7B zeigt die Signalform des Signals mit entferntem Hintergrundsignal bei Verwendung der LED als Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
7C zeigt die Signalform des Signals mit entferntem Hintergrundsignal bei Verwendung der SLD-Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
Die 8A, 8B und 8C zeigen einen Vergleich von optischen Kreuz-Korrelationssignalen mit entferntem Hintergrundsignal.
8A zeigt im Detail die Signalform des optischen Korrelationssignals mit entferntem Hintergrundsignal bei Verwendung der Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
8B zeigt im Detail die Signalform des optischen Korrelationssignals mit entferntem Hintergrundsignal bei Verwendung der LED als Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
8C zeigt im Detail die Signalform des optischen Korrelationssignals mit entferntem Hindergrundsignal bei Verwendung der SLD als Lichtquelle in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
Die 9A und 9B zeigen die Zwischenraumgröße in Abhängigkeit vom Belastungsgewicht und ein Ergebnis der Datenverarbeitung bei einer Versuchsanordnung des Meßsystems gemäß 1 und nach der Durchführung einer Signalverarbeitung in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 1.
9A zeigt die Zwischenraumgröße in Abhängigkeit vom Belastungsgewicht.
9B zeigt ein Ergebnis der Datenverarbeitung für eine Verschiebung in bezug auf eine gerade Paßlinie.
10 zeigt in einem Blockdiagramm eine Anordnung einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps mit einem Fabry-Perot-Interferometer vom Keiltyp gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt in einem Blockdiagramm eine Anordnung der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps mit einem Michelson-Interferometer gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt in einem Flußdiagramm einen Ablauf der Signalverarbeitung hauptsächlich in einem Signalverarbeitungsteil bei einer Anordnung der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.
13 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm einen Algorithmus der Signalverarbeitung hauptsächlich in einem Signalverarbeitungsteil bei einer Anordnung der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.
14 zeigt in einem Diagramm in Abhängigkeit von der Wellenlänge die Intensitätsverteilung nach der optischen Faser bei der Verwendung einer lichtemittierenden Diode (LED) als Lichtquelle, deren Licht durch einen Lichtleiter geführt wird, bei einer Messung mit der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
15 zeigt tatsächliche Daten des Ausgangssignals eines linearen Bildsensors mit einer CCD (kapazitätsgekoppelte Vorrichtung), wenn ein Belastungsge wicht auf die Fabry-Perot-Belastungszelle wirkt, ohne daß eine Feinabstimmung in der Ausrichtung des optischen Systems in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10 durchgeführt wird.
16 zeigt einen Prozeß zur Extrahierung eines optischen Korrelationssignals aus zeitlich aufeinanderfolgenden Daten des Ausgangssignals des linearen CCD-Bildsensors der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
17 zeigt Änderungen des aus tatsächlichen Daten des Ausgangssignals des linearen Bildsensors gewonnenen optischen Korrelationssignals, wenn ein Belastungsgewicht gemäß 15 aufgebracht und mit der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10 gemessen wird.
18A, 18B und 18C zeigen die Extrahierung des optischen Korrelationssignals in Abhängigkeit von der Belastung in der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10 mit einer Belastung bei A von 0.0N, einer Belastung bei B von 38N und einer Belastung bei C von 73N.
18A zeigt die Extrahierung des optischen Korrelationssignals in Abhängigkeit von der Belastung der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10 bei einer Belastung von 0.0N.
18B zeigt die Extrahierung des optischen Korrelationssignals in Abhängigkeit von der Belastung der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10 bei einer Belastung von 38N.
18C zeigt die Extrahierung des optischen Korrelationssignals in Abhängigkeit von der Belastung bei der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10 bei einer Belastung von 73N.
19 zeigt ein optisches Korrelationssignal in Abhängigkeit von einer Reihe von verschieden starken Belastungen, bei dem ein hochfrequenter Anteil entfernt wurde, bei einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
20A zeigt ein Beispiel einer Signalform bei einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10, bei der aus dem optischen Korrelationssignal durch das Verfahren der kleinsten Quadrate der niederfrequente Anteil entfernt wurde.
20B zeigt ein Beispiel einer Signalform bei einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10, bei der die Abszisse des Diagramms der Signalform gemäß 20A in vergrößerter Ansicht dargestellt ist.
21 zeigt eine tatsächliche Signalfolge und eine Hilbert-Transformierte dieser Signalfolge bei einer Signalverarbeitung mit der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
22 zeigt ein Signal, bei dem der niederfrequente Anteil entfernt wurde, die Hilbert-Transformierte dieses Signals und eine an das Signal angenäherte Hüllkurve bei einer Signalverarbeitung mit der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
23 zeigt schematisch das Verfahren zur Ermittlung einer Hüllkurve mit einer Hilbert-Transformation einer Impulsantwort eines Schwingungssystems mit einer Dämpfung in einem Freiheitsgrad.
24 zeigt ein an eine Hüllkurve angenähertes Signal und dieses Signal nach Durchgang durch einen Tiefpaßfilter zur Berechnung einer zweiten Hüllkurve bei einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
25 zeigt den Verlauf einer Signalfolge, den Verlauf der ersten Ableitung des Verlaufs der Signalfolge und des unter gleichzeitiger Glättung differenzierten Verlaufs der Signalfolge bei einer Signalverarbeitung bei der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
26 zeigt bei einem Test als Resultat der Datenverarbeitung die Extremwerte der Hüllkurve des optischen Korrelationssignals in Abhängigkeit vom Belastungsgewicht bei einer Signalverarbeitung während eines Versuches mit einem Meßsystem gemäß 10 mit der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß 10.
Die 27A und 27B zeigen schematisch eine Anordnung einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle.
27A zeigt eine gesamte Anordnung einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle gemäß dem Stand der Technik.
27B zeigt schematisch ein Meßsystem gemäß dem Stand der Technik.
28 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer praktischen Anordnung der Fabry-Perot-Belastungszelle gemäß den 27A und 27B.
29 zeigt schematisch ein Erfassungsprinzip der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle.
30 zeigt eine Simulation eines Ausgangssignals des Sensorsystems, bei der das Spektrum der Lichtquelle eine Gauss-Verteilung aufweist.
31 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Anordnung eines Meßsystems des Transmissionstyps.
32 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Anordnung eines Meßsystems des Reflexionstyps.
33A zeigt ein Beispiel eines simulierten Ausgangssignals des Sensormeßsystems.
33B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 33A.
Die 34A und 34B zeigen Blockdiagramme eines Meßsystems für eine Vergleichsmessung in bezug auf einen Unterschied zwischen dem optischen Korrelationssignal und einer Nulldurchgangslängen-Interferenz.
34A zeigt ein Blockdiagramm eines Meßsystems ohne Fabry-Perot-Interferometer mit festem Zwischenraum.
34B zeigt ein Blockdiagramm eines Meßsystems mit einem Fabry-Perot-Interferometer mit festem Zwischenraum.
35A zeigt eine Veränderung des Ausgangssignals eines optischen Leistungsmessers, wenn während der Messung die Zwischenraumgröße des Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbaren Zwischenraum in geringem Maße im Meßsystem gemäß 34A verändert wird.
35B zeigt eine Veränderung des Ausgangssignals eines optischen Leistungsmessers, wenn während einer Messung die Zwischenraumgröße des Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbarem Zwischenraum in geringem Maße im Meßsystem gemäß 348 verändert wird.
Die 36A, 36B, 36C und 36D zeigen Diagramme von Signalformen zum Vergleich verschiedener Spektralverteilungen von Lichtquellen mit den Nummern 1, 2, 3 bzw. 4.
36A ist ein Diagramm der Signalform zum Vergleich verschiedener Spektralverteilungen bei der Lichtquelle 1.
36B ist ein Diagramm der Signalform zum Vergleich verschiedener Spektralverteilungen bei der Lichtquelle 2.
36C ist ein Diagramm der Signalform zum Vergleich verschiedener Spektralverteilungen bei der Lichtquelle 3.
36D ist ein Diagramm der Signalform zum Vergleich verschiedener Spektralverteilungen bei der Lichtquelle 4.
37 zeigt in einem Diagramm einen Vergleich von simulierten Ausgangssignalen bei der Verwendung von Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektralverteilungen.
38 zeigt in einem zum Teil vergrößerten Diagramm einen Vergleich von simulierten Ausgangssignalen bei der Verwendung von Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektralverteilungen.
Die 39A und 39B vergleichen die Spektralverteilung bei der Verwendung einer lichtemittierenden Diode als Lichtquelle.
39A zeigt in einem Diagramm die gemessene Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge [L7560 (Hamamatsu)].
39B zeigt in einem Diagramm die gemessene Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge [RLE8P4-002 (Daido Steel Co., Ltd.)].
Die 40A und 40B zeigen zum Vergleich Diagramme der Signalform des optischen Korrelationssignals bei der Verwendung von lichtemittierenden Dioden als Lichtquelle mit verschiedenen Spektralverteilungen.
40A zeigt in einem Diagramm die bei der Messung auftretende Signalform eines optischen Kreuz-Korrelationssignals [L7560 (Hamamatsu)].
40B zeigt in einem Diagramm die bei der Messung auftretende Signalform eines optischen Kreuz-Korrelationssignals [RLE8P4-002 (Daido Steel Co., Ltd.)].
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird nun der erfindungsgemäße faseroptische interferometrische Sensor im folgenden anhand seiner bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben.
Der faseroptische interferometrische Sensor gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung lokalisiert ein optisches Korrelationssignal mit einer Zwischenrauminformation in den Ausgangssignalen des Sensorsystems in geeigneter Weise, vereinfacht eine Signalverarbeitung und erreicht ein sehr schnelles Ansprechen des Sensors durch den Einsatz einer Lichtquelle mit breiter wellenlängenabhängiger Spektralverteilung wie z.B. eine Halogenlampe oder eine Weißlicht-LED oder dergleichen. Dieser faseroptische interferometrische Sensor kann ein hochpräzises Meßsystem mit einer einfachen Anordnung durch den Einsatz einer Lichtquelle mit einem einen breiten Wellenlängenbereich aufweisenden Spektrum und die Durchführung einer einfachen Signalverarbeitung realisieren. Darüber hinaus lassen sich die Kosten reduzieren.
Die 1 und 2 zeigen eine Anordnung eines faseroptischen interferometrischen Sensors in Form einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 1 zeigt schematisch die gesamte Anordnung und 2 eine in der Praxis verwendete Anordnung eines Signalverarbeitungsteils.
Die faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps, welche erfindungsgemäß als faseroptischer interferometrischer Sensor gemäß 1 fungiert, weist eine Lichtquelle 1, eine erste optische Faser 2, einen [2 × 2]-Koppler 3, eine zweite optische Faser 4, eine dritte optische Faser 5, eine Fabry-Perot-Belastungszelle 6, eine vierte optische Faser 7, ein Fabry-Perot-Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum 8, einen optischen Sensor 9, einen optischen Leistungsmesser 10, einen A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) 11 und einen Signalverarbeitungsteil 12 auf.
2 zeigt eine Anordnung des Signalverarbeitungsteils 12 gemäß 1, wobei 2 eine Anordnung von Segmenten für die Signalverarbeitung ausgehend vom optischen Sensor 9 bis hin zum Signalverarbeitungsteil 12 zeigt. Der Signalverarbeitungsteil 12 weist einen DSP (digitaler Signalprozessor) 121, einen Datenspeicher 122, einen Kalibrierungsdatenspeicher 123, einen Programmspeicher 124, eine Anzeige 125 und einen D/A-Wandler (Digital-Analog-Wandler) 126 auf.
Die Lichtquelle 1 in 1 erzeugt kein hochkohärentes Licht wie ein Laser oder dergleichen, sondern einen breiten Spektralbereich schwach kohärenten Lichts, wie Weißlicht oder dergleichen. Als Lichtquelle 1 können z.B. eine Wolfram-Halogenlampe oder eine Weißlicht-LED benutzt werden. Die erste optische Faser 2 führt das schwach kohärente Licht von der Lichtquelle 1 zu dem [2 × 2]-Koppler 3.
Der [2 × 2]-Koppler 3 hat vier Anschlüsse, wobei beim ersten Anschluß einfallendes Licht zum zweiten und dritten Anschluß abgezweigt und dort im Intensitätsverhältnis von 50%/50% ausgegeben wird. Darüber hinaus gibt der [2 × 2]-Koppler 3 am Anschluß 3 einfallendes Licht am Anschluß 4 aus. Nicht nur ist die erste optische Faser 2 wie im Vorhergehenden beschrieben mit dem ersten Anschluß des [2 × 2]-Kopplers 3 verbunden, sondern es sind auch die zweite optische Faser 4, die dritte optische Faser 5 und die vierte optische Faser 7 jeweils mit dem zweiten, dem dritten und dem vierten Anschluß verbunden. Da das Licht am Ausgang des zweiten Anschlusses des [2 × 2]-Kopplers 3 dem in den ersten Anschluß hineingehenden Licht proportional ist, wird das am zweiten Anschluss abgegebene Licht an ein (nicht dargestelltes) Steuerteil der Lichtquelle 1 z.B. durch die zweite optische Faser 4 zurückgegeben und zur Steuerung der Lichtausstrahlung der Lichtquelle 1 verwendet. Das am dritten Anschluß des [2 × 2]-Kopplers 3 abgegebene Licht wird durch die dritte optische Faser 5 zur Fabry-Perot-Belastungszelle 6 geführt. Das in einem gemessenen Zwischenraum der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 abgegebene Licht wird durch die dritte optische Faser 5 zum [2 × 2]-Koppler 3 geführt. Der [2 × 2]-Koppler 3 führt das durch die dritte optische Faser 5 zum dritten Anschluß geführte, von der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 am Ausgang abgegebene Licht durch eine am vierten Anschluß befestigte vierte optische Faser 7 an einem Signaldemodulationsteil zu einem Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum.
Die Fabry-Perot-Belastungszelle 6 ist eine Belastungszelle mit einem darin angeordneten Fabry-Perot-Interferometer, welches als faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor arbeitet, mit einem Sockel 6a, einer Membran 6b und einem Belastungszuführungsteil 6c. Das andere Ende der mit einem Ende mit dem dritten Anschluß des [2 × 2]-Kopplers 3 verbundenen dritten optischen Faser 5 ist durch Klebstoff oder ähnliches am Sockel der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 befestigt, und eine teilweise reflektierende Schicht ist an der Oberfläche des äußersten Endes der dritten optischen Faser 5 gebildet. An der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 ist eine teilweise reflektierende Schicht gebildet, die der Endoberfläche der dritten optischen Faser 5 an der teilweise reflektierenden Schicht gegenüberliegt, und die durch ein Belastungsgewicht oder ähnliches verformte Membran 6b wird mit einem vorbestimmten Zwischenraum angebracht, d.h. dem gerade vorliegenden gemessenen Zwischenraum.
Die am Abschnitt der Membran 6b, welcher der Endoberfläche der optischen Faser gegenüberliegt, gebildete teilweise reflektierende Schicht, ist z.B. eine dünne Schicht, die einen Teil des einfallenden Lichtes reflektiert und den restlichen Teil absorbiert. Das oben beschriebene Fabry-Perot-Interferometer wird gebildet durch den Abschnitt der einander gegenüberliegenden Flächen, die den zuvor genannten vorbestimmten Zwischenraum bilden.
Wenn eine Belastung auf die Fabry-Perot-Belastungszelle 6 ausgeübt wird, wird die Membran 6b verformt und die Zwischenraumgröße dadurch verändert. Die Belastung kann durch eine Erfassung der Veränderung der Zwischenraumgröße berechnet werden. Das bedeutet, durch die dritte optische Faser 5 zur Fabry-Perot-Belastungszelle 6 des Fabry-Perot-Interferometers geführtes Licht wird am durch die gegenüberliegenden teilweise reflektierenden Flächen gebildeten Zwischenraum vielfach reflektiert, und seine von der Wellenlänge abhängige optische Intensität wird in Abhängigkeit von der Zwischenraumgröße moduliert. Die in der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge modulierte optische Welle, d.h. das am Sensor der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 reflektierte Lichtsignal, läuft zurück in die dritte optische Faser 5 und wird in den dritten Anschluß des [2 × 2]-Kopplers 3 eingespeist.
Die vierte optische Faser 7 führt das von der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 in den [2 × 2]-Koppler 3 eingespeiste in der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge modulierte optische Signal aus dem vierten Anschluß des [2 × 2]-Kopplers 3 zum Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum am Teil zur Demodulation des optischen Signals.
Das Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum umfaßt ein Interferometer 8a mit veränderbarem Zwischenraum, und der Zwischenraum dieses Fabry-Perot-Interferometers 8a mit veränderbarem Zwischenraum kann z.B. durch ein (nicht dargestelltes) Piezo-Stellglied verändert werden. Es ist möglich, durch eine Veränderung des Zwischenraums ein optisches Korrelationssignal nahe am Sensorzwischenraum der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 zu erhalten.
Das bedeutet, das in das Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum einfallende Licht wird an jeder Stelle des durch das Piezo-Stellglied veränderten Zwischenraums vielfach reflektiert, um eine optische Korrelation mit der Charakteristik des Wellenlängenspektrums zu erzeugen, wobei die optische Intensität zu einem Minimum wird an einer Position, die mit der Zwischenraumgröße in der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 koinzidiert, und sie wird durch den optischen Sensor 9 als ein optisches Korrelationssignal erfaßt. Dieses optische Korrelationssignal gelangt vom optischen Sensor 9 zum optischen Leistungsmesser 10 und wird dort gemessen. In diesem Fall weist das Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum ein Piezo-Stellglied zum Betreiben des Interferometers 8a mit veränderbarem Zwischenraum, den optischen Leistungsmesser 10 und einen Zeitgeber 10a auf, der ein Signal an das A/D- Wandlerteil 11 (gemäß 2) abgibt, um den Arbeitstakt in synchronisierender Weise zu definieren.
Der optische Leistungsmesser 10 führt eine Messung anhand des Ausgangssignals des optischen Sensors 9 durch. Der A/D-Wandler 11 wandelt das vom optischen Sensor 9 erfaßte und vom optischen Leistungsmesser 10 verarbeitete optische Korrelationssignal mit Hilfe eines Arbeitstaktsignals vom Zeitgeber 10a des Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbarem Zwischenraum 8 in eine digitale Information um.
Der Signalverarbeitungsteil 12 verarbeitet ein durch den A/D-Wandler 11 umgewandeltes Signal zur Erreichung eines Meßergebnisses. Der Signalverarbeitungsteil 12 extrahiert das gewünschte optische Korrelationssignal aus den zeitlich aufeinanderfolgenden und von dem optischen Sensor 9 durch den optischen Leistungsmesser 10 erhaltenen Signalen, entfernt einen hochfrequenten Rauschanteil des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und differenziert das Signal ohne den nicht benötigten hochfrequenten Anteil, um eine Nullstelle zu erhalten, wo der differenzierte Wert die Null-Linie kreuzt.
Im folgenden werden nun alle den signalverarbeitenden Teil 12 gemäß 2 bildenden Abschnitte beschrieben.
Ein DSP (digitaler Signalprozessor) 121 führt eine Folge von Signalverarbeitungsschritten (gemäß dem Flußdiagramm in 3) gemäß dem in den Programmspeicher 124 geschriebenen Programmablauf durch. Der DSP 121 greift nach Bedarf auf den Datenspeicher 122 und den Kalibrierungsdatenspeicher 123 im Verlauf der Signalverarbeitung zu. Anstelle dieses DSPs 121 könnte eine ähnliche Funktion unter Verwendung eines allgemeinen Typs einer MPU (Mikroprozessoreinheit) erreicht werden.
Der Datenspeicher 122 besteht z.B. aus einem RAM (Direktzugriffsspeicher), in dem verschiedene Arten von Daten abgelegt werden, wie z.B. digitalisierten Bildern vom A/D-Wandler 11 und die während der Signalverarbeitung durch den DSP 121 anfallenden Zwischenstufendaten. Der Kalibrierungsdatenspeicher 123 besteht aus einem EPROM (löschbarer, programmierbarer Festwertspeicher: entfernbarer P-ROM) und speichert Kalibrierungsdaten, die als Meßhintergrund für die das Fabry-Perot-Interferometer bildende Fabry-Perot-Belastungszelle 6 dienen. Im Programmspeicher 124 ist im voraus ein Programm abgespeichert, mit dem der DSP 121 eine Reihe von digitalen Signalverarbeitungen gemäß 3 ausführen kann.
Die Anzeige 125 zeigt einem Anwender ein Ergebnis der Verarbeitung durch den DSP 121 und die durch diese Verarbeitung gewonnene Information in gewünschter Form an. Ein D/A-Wandler 126 kann das Ergebnis der Verarbeitung mit dem DSP 121 und die durch die Verarbeitung erzeugte Information von digitalen Werten in analoge Werte umwandeln und diese ausgeben.
Das bedeutet, die Folge von digitalen Signalverarbeitungen am Signalverarbeitungsteil 12 wird durch den DSP 121 ausgeführt, wobei auf den Datenspeicher 122 und den Kalibrierungsdatenspeicher 123 während eines in den Programmspeicher 124 geschriebenen Verarbeitungsablaufs wie gewünscht in geeigneter Weise zugegriffen wird.
Im folgenden wird eine Anordnung des Meßsystems bei einer tatsächlich durchgeführten Messung beschrieben.
Als faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor wurde die faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps 6 gemäß 1 verwendet. In diesem Fall betrug die Weite des Zwischenraums der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps 6 etwa 23 μm. Darüber hinaus wurde als optischer Leistungsmesser 10 eine AQ2140 (AQ2730 Sensoreinheit) [ANDO] verwendet.
Nun wird das Sensorsystem summarisch beschrieben. Für die Lichtquelle 1 wurde als schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle eine Wolfram-Halogenlampe benutzt, und zum Vergleich wurde die Messung mit einer LED-Lichtquelle (L7560 [HAMAMATSU]) und einer SLD (Halbleiterlaservorrich tung)-Lichtquelle (AS3B381FX[ANRITSU]) durchgeführt. 4 zeigt eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung der in diesem Experiment genutzten schwach kohärentes Licht ausstrahlenden Lichtquelle nach dem Durchgang durch die optische Faser (G150/125, NA=0.12). Darüber hinaus zeigt diese Abbildung nur zum Vergleich die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung der LED-Lichtquelle (L7560[HAMAMATSU]) und der SLD-Lichtquelle (AS3B381FX [ANRITSU]). Diese Abbildung zeigt auch eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung der Weißlicht-LED-Lichtquelle (NSPW300BS[NICHIA]).
Bei dem Versuch einer Interferenzmessung mit der Weißlicht-LED-Lichtquelle hat sich herausgestellt, daß eine optische Intensität des durch die optische Faser geführten Lichts ziemlich schwach war, und obwohl die durch das Wellenlängenspektrum hervorgerufene Interferenz bestätigt wurde, konnte kein optisches Korrelationssignal nachgewiesen werden. Man kann davon ausgehen, daß der Nachweis des optischen Korrelationssignals bei Benutzung dieser Weißlicht-LED-Lichtquelle gelingen kann, wenn die aus der optischen Faser erhaltene optische Intensität erhöht wird unter Verwendung der am besten geeigneten kollimierenden Linse und Sammellinse oder eines ähnlichen Elements oder wenn ein hochpräziser optischer Sensor 9 eingesetzt wird.
Darüber hinaus wurde als A/D-Wandler 11 zur Umwandlung eines Ausgangssignals des optischen Leistungsmessers 10 ein A/D-Wandler mit 12 Bits und einer Abtastfrequenz von 200 kHz (ADC-150A[KYOWA], 12 Bit, 200 kHz) eingesetzt. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 11 wurde durch eine GBIB-Universalschnittstelle in einen PC eingegeben, der als Signalverarbeitungsteil 12 diente.
Bei der tatsächlichen Messung der Daten wurde ein PC anstelle des DSP 121 benutzt, um eine entsprechende Signalverarbeitung durchzuführen. Das bedeutet, für die in den PC eingegebenen Signale wurde ein später beschriebenes dem Verfahren der Erfindung gemäßes Signalverarbeitungsprogramm mit einer Anwendungsentwicklungssoftware (Lab VIEW [NATIONAL INSTRUMENTS]) geschrieben und anschließend ausgeführt.
Wie oben bereits beschrieben, wird bei der Ausübung einer bestimmten Belastung auf die Fabry-Perot-Belastungszelle 6 die Membran 6b verformt und dadurch die Zwischenraumgröße verändert, und die Veränderung des Zwischenraums wird zur Berechnung der ausgeübten Belastung erfaßt. In diesem Fall tritt bei der tatsächlichen Messung in der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 eine Verschiebung von etwa 3 μm bei 9.807N (1 kgf) auf.
Die 5A, 5B und 5C zeigen Signale der optischen Intensität aus dem gesamten erfaßten Bereich einschließlich einer Nulldurchgangslängen-Interferenz bei einer Verwendung von drei verschiedenen Lichtquellen, d.h. 5A zeigt das Signal für eine Wolfram-Halogenlampe, 5B zeigt das Signal für eine LED und 5C zeigt das Signal für eine SLD. Darüber hinaus zeigen die 6A, 6B und 6C vergrößerte optische Korrelationssignalabschnitte (in der Nähe eines veränderbaren Abstands von 22 μm in den 5A, 5B und 5C). Da eine optische Hintergrundintensität als Reaktion auf eine Veränderung des Zwischenraums, die durch eine auf den Sensor und auch auf den Zwischenraum (ein beweglicher Abstand) des Fabry-Perot-Interferometers mit veränderbarem Zwischenraum aufgebrachte Belastung bewirkt wird, verändert wird, wird diese Intensität durch ein später beschriebenes Verfahren korrigiert, um einen Hochpräzisionssensor zu realisieren.
Wenn eine Lichtquelle mit breitem Wellenlängenspektrum, wie z.B. eine Wolfram-Halogenlampe oder eine Weißlicht-LED-Lichtquelle, gemäß 4 in diesem Sensorsystem eingesetzt wird, kann, wie aus den 6A und 6B ersichtlich, ein gut lokalisierbares optisches Korrelationssignal erhalten werden. Im Gegensatz dazu hat, wie aus 6C ersichtlich, die SLD-Lichtquelle eine grosse Kohärenzlänge, wodurch das optische Korrelationssignal ausgedehnt wird und bei diesem Sensorzwischenraum das Nulldurchgangslängen-Interferenzsignal und das optische Korrelationssignal einander überlappen, woraus folgt, daß die Signale nicht voneinander getrennt werden können.
Obwohl das optische Korrelationssignal bei der Verwendung einer LED-Lichtquelle örtlich lokalisierbar ist, ist die Kohärenzlänge dieser Lichtquelle andererseits groß im Vergleich zu der bei der Verwendung einer Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle, und es gibt ein hohes Maß an Schwingungsanteilen im optischen Korrelationssignal, was eine komplizierte Signalverarbeitung zur Erhaltung des Minimalwerts notwendig macht. Im Gegensatz dazu ist dann, wenn eine Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle verwendet wird, eine komplizierte Signalverarbeitung nicht erforderlich, und die Minimumposition der Signalform des optischen Korrelationssignals kann leicht erfaßt und ein Sensorzwischenraum in kurzer Zeit in einer hochpräzisen Weise berechnet werden.
Als nächstes wird unter Bezug auf 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Signalverarbeitung durch den Sensor im Signalverarbeitungsteil 12 beschrieben, und zwar hauptsächlich bei der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps des faseroptischen interferometrischen Sensors gemäß den 1 und 2. 3 zeigt ein Flußdiagramm einer Signalverarbeitung. Mit anderen Worten ist dies ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines Algorithmus für die Verarbeitung. In diesem Fall wird die Tatsache, daß die Lichtquelle 1 über ein breites Wellenlängenspektrum verfügt, wenn die Wolfram-Halogenlampe oder die Weißlicht-LED als Lichtquelle gemäß 4 verwendet werden, zu einem wesentlichen und wichtigen Faktor der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 3 wird das Signalverarbeitungsverfahren zur Erfassung der Minimumposition des optischen Korrelationssignals in bezug auf tatsächliche Ausgangssignaldaten des optischen Korrelationssignals durch den optischen Leistungsmesser 10 praxisnah beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind mit den Ausgangssignaldaten die Ausgangssignaldaten nach ihrer Umwandlung durch den A/D-Wandler 11 gemeint, wobei die Schritt-Nummern wie z.B. "S1" und "S2" usw. einen Verarbeitungsschritt unter Verwendung derselben Symbole wie in 3 bezeichnen.
<Schritt S1: Extrahierung des optischen Korrelationssignals>
Wie aus den 5A, 5B und 5C und den 6A, 6B und 6C ersichtlich, enthält die Signalform ein Hintergrundsignal, welches sich als Reaktion auf eine Veränderung des Zwischenraums bei der auf den Sensor und einen Zwischenraum (einen variablen Abstand) des Fabry-Perot-Interferometers 8a mit veränderbarem Zwischenraum aufgebrachten Belastung verändert. Eine hochpräzise Messung des Sensorzwischenraums kann durch ein Entfernen des Hintergrundsignals und durch ein Extrahieren der Signalform des eigentlichen optischen Korrelationssignals ohne Bias-Anteil ausgeführt werden.
In den 7A, 7B und 7C und in den 8A, 8B und 8C wird ein Verfahren zum Extrahieren des optischen Korrelationssignals [S_LCOR(n)] aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignaldaten [S_SIG(n)] gezeigt, wobei (n) die Nummer eines Datenelements der zeitlich aufeinanderfolgenden Signaldaten bezeichnet.
Um das optische Korrelationssignal zu extrahieren, wird zuerst das Hintergrundsignal S_BACK(n) mit einem Koeffizienten K multipliziert, damit es mit einem niederfrequenten Schwankungspegel der tatsächlichen Ausgangssignaldaten übereinstimmt, wenn eine Belastung zum Hintergrundsignalpegel hinzukommt (Signale K·S_BACK(n)). Im Anschluß daran werden die Daten zur Pegeleinstellung von den tatsächlichen mit einer Belastung versehenen Signalausgabedaten abgezogen, um das optische Korrelationssignal S_LCOR(n) zu extrahieren.
Dieser Vorgang wird durch folgenden mathematischen Ausdruck beschrieben: SLCOR(n) = SSIG (n) – k·SBACK(n) (2)
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform, bei der das Fabry-Perot-Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum am Teil zur Demodulation des optischen Signals verwendet wird, ist es nicht notwendig, das Licht wie bei einem Fabry-Perot-Interferometer vom Keiltyp (Fizeau-Interferometer) räumlich linear zu sammeln, und ein Hintergrundsignalrauschen ist relativ gering. Daher wurde zum Entfernen des Hintergrundsignals das Multinomialanpaßverfahren (Polynomanpaßverfahren) der kleinsten Quadrate bei dieser bevorzugten Ausführungsform verwendet. Darüber hinaus könnte in einem Verfahren zum Entfernen des Hintergrundsignals ein Hochpaßfilter (HPF)-Verfahren anstelle des Verfahrens der kleinsten Quadrate verwendet werden.
Das häufig verwendete Verfahren der kleinsten Quadrate ist in der Fachwelt bekannt als ein Verfahren zur Spezifizierung des Funktionstyps und zur Anpassung der gemessenen Daten an eine Kurve. Bei dem Verfahren der kleinsten Quadrate wird die Kurve an einen Standard angepaßt, wobei die Quadratsumme eines bestimmten Referenzwertes möglichst klein gemacht wird. Als Referenzwert wird eine Quadratsumme der Differenz zwischen den Daten und den durch eine angepaßte Kurve ermittelten Werten, d.h. eine Quadratsumme einer Differenz, genommen, und ein Kurven-Koeffizient, der die Summe zu einem Minimum werden läßt, d.h. ein Koeffizient zur Anpassung, wird auf numerischem Wege berechnet.
Hier wird das Verfahren der kleinsten Quadrate zur Entfernung des Hintergrundsignals aus den gemessenen Daten verwendet. Das zu extrahierende optische Korrelationssignal ist ein um einen vorherbestimmten Referenzwert in gleicher Weise aufwärts oder abwärts schwingender Anteil. Dementsprechend wird bei einer Überlagerung des Hintergrundsignals durch das optische Korrelationssignal mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate eine Kurve des Hintergrundsignals zur Messung eines Unterschieds zwischen diesem und dem Ursprungssignal berechnet, woraufhin sich ein geeignetes optisches Korrelationssignal erzielen läßt. Das bedeutet, das Hintergrundsignal S_BACK,FIT(n) wird durch das Multinomialanpaßverfahren der kleinsten Quadrate abgeschätzt. Dieses S_BACK,FIT(n) ist eine das Hintergrundsignal beschreibende Kurve, die aus den Meßdaten unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate errechnet wurde, und eine Kurvengleichung (Multinomiale), wie z.B. die folgende Gleichung (3) wird verwendet: SBACK,FIT(x) = A0 + A1·x + A2·x2 + ... + A10·x9 + A11·x10 (3), wobei A_m (m = 0, 1, ..., 10) ein Koeffizient für eine Kurvengleichung ist und aus den Meßdaten mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate berechnet wird. Dann wird S_LCOR(n) unter der Annahme berechnet, daß K·S_BACK(n) = S_BACK,FIT(n) in die Gleichung (2) eingesetzt wird.
Darüber hinaus kann de Extrahierung des optischen Korrelationssignals nicht nur mit Hilfe dieses Multinomialverfahrens der kleinsten Quadrate durchgeführt werden, sondern auch durch Verwendung der tatsächlich gemessenen Signaldaten, die außerhalb des Sensormeßbereichs für das optische Korrelationssignal liegen und die Verwendung dieses Signals als Hintergrundsignal in bezug auf die Gleichung (2).
<Schritt S2: LPF-Verarbeitung>
Treten beträchtliche nicht benötigte hochfrequente Anteile in dem gemäß der obigen Beschreibung extrahierten optischen Korrelationssignal [S_LCOR(n)] auf, so wird dann der nicht benötigte hochfrequente Anteil durch einen Tiefpaßfilter (LPF) entfernt. Im Experiment ist der Rauschanteil gering, so daß das LPF-Verfahren nicht angewendet wird.
<Schritt S3: Berechnung einer Minimum- oder einer Maximumposition>
Wie aus 8A ersichtlich, kann, wenn eine Wolfram-Halogenlampe als Lichtquelle verwendet wird, ein gut lokalisierbares optisches Korrelationssignal erreicht werden, so daß es nicht notwendig ist, eine Hüllkurve für das Signal zu bestimmen und den Minimalwert der Hüllkurve zu berechnen, und darüber hinaus ist es möglich, den Minimalwert direkt entweder aus dem optischen Korrelationssignal aus oder aus dem Signal zu bestimmen, bei dem der nicht benötigte hochfrequente Anteil entfernt wurde. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, eine Signalverarbeitung in Form einer Hilbert-Transformation durchzuführen und eine sehr schnelle Reaktion des Sensors kann durch eine Verringerung der Signalverarbeitungszeit realisiert werden.
Als einfachste Methode zur Ermittlung der Minimum- oder Maximumposition (im vorliegenden Fall für das Ermitteln einer Talposition der Signalform, d.h. einer Minimumposition), genügt es, der Reihe nach die Steigung zu bestimmen, d.h. die Differenz zwischen einem Wert an einer Position und einem Wert genau vor dieser Position entlang dem Verlauf des optischen Korrelationssignals und eine Position zu suchen, an der ein Extremwert auftaucht. Wenn die Signalform hinreichend glatt ist, läßt sich die Minimum- oder Maximumposition mit dieser Methode erfassen, obwohl es häufig vorkommt, das recht viele Extremwerte durch den Einfluß von Rauschen im tatsächlichen Signalverlauf auftauchen. In so einem Fall ist es notwendig, ein geeignetes Glättungsverfahren auch für eine Berechnung der Differenz anzuwenden, um eine Steigung der Signalkurve zu ermitteln.
Als Glättungsverfahren können verschiedene Methoden angewandt werden, z.B. kann ein Glättungsdifferenzierverfahren nach Savitzky und Golay zur Glättung angewandt werden. In diesem Fall wird eine Nullstelle der einem Glättungsdifferenzierverfahren unterzogenen Signalform zu einem Extremwert. Die Details hierzu sind in "Waveform Data Processing for Scientific Measurement", herausgegeben bei Shigeo Minami, CQ Publishing Co., Ltd. (1986), beschrieben.
Das bedeutet, das Differenzierverfahren mit gleichzeitiger Glättung wird in Schritt S2 ausgeführt, um entweder eine Minimum- oder eine Maximumposition des einer Tiefpaßfilterung unterzogenen Signals [S_LCOR,LPF(n)] zu erhalten. Das Differenzierverfahren mit gleichzeitiger Glättung ist ein Verfahren zur Berechnung der differenzierten Signalform aus der beobachteten Signalform, d.h. die Meßdaten werden in Bezug gesetzt zu einem bei dem Glättungsverfahren verwendeten Polynom (Multinomial), an das eine Annäherung stattfindet, wobei das Glättungsverfahren gleichzeitig an der zu errechnenden differenzierten Signalform durchgeführt wird.
In diesem Fall ist das Glättungsverfahren mit multinomialer Anpassung ein Glättungsverfahren zur Entfernung eines hochfrequenten Signalanteils aus den beobachteten Signalformen und zur Glättung der Signalform. Der Glättungswert eines Meßpunkts wird durch seine Anpassung an eine Multinomiale durch das Verfahren der kleinsten Quadrate berechnet, wobei die zu beiden Seiten des Meßpunkts gemessenen Werte verwendet werden. Dies wird der Reihe nach für jeden Meßpunkt zur Berechnung einer insgesamt geglätteten Signalform durchgeführt.
Dann wird die Nullstelle in den zeitlich aufeinanderfolgenden unter gleichzeitiger Glättung differenzierten Signalen berechnet. Das bedeutet, der Punkt, an dem die bipolare Signalform der zeitlich aufeinanderfolgenden unter gleichzeitiger Glättung differenzierten Signale die Null-Linie kreuzt, gehört entweder zur Minimum- oder zur Maximumposition.
9 zeigt bei einem Test ein Resultat der Datenverarbeitung, bei dem die Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß der vorhergenannten Beschreibung in einem Versuchsaufbau verwendet wird, die vorhergenannte Signalverarbeitung unter Verwendung des Meßsystems gemäß 1 ausgeführt wird und das Minimum oder Maximum des optischen Korrelationssignals für ein Belastungsgewicht ermittelt wird.
Das oben genannte Verfahren läßt sich nicht nur bei einer Anordnung gemäß 1, sondern auch bei einem Fabry-Perot-Interferometer vom Keiltyp (Fizeau-Interferometer) oder bei einem Interferometer vom Michelson-Typ am Signaldemodulationsteil in ähnlicher Weise einsetzen.
10 zeigt eine Anordnung eines faseroptischen interferometrischen Sensorsystems bestehend aus einer faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Fabry-Perot-Interferometer vom Keiltyp als Interferometer am Signaldemodulationsteil verwendet wird.
In der 10 entsprechen die Lichtquelle 1, die erste optische Faser 2, der [2 × 2]-Koppler 3, die zweite optische Faser 4, die dritte optische Faser 5, die Fabry-Perot-Belastungszelle 6 und die vierte optische Faser 7 den entsprechenden in der 1 dargestellten Elementen. Anstelle eines Signaldemodulationsteils mit einem Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum, einem optischen Sensor 9 und einem optischen Leistungsmesser 10, wird hier ein Signaldemodulationsteil geschaffen, der eine kollimierende Linse 21, eine Sammellinse 22, ein Fizeau-Interferometer 23, einen linearen Bildsensor 24 und einen Steuerteil 25 für den Bildsensor umfaßt.
Der A/D-Wandler 11A und der Signalverarbeitungsteil 12A in 10 sind zum A/D-Wandler 11 und dem Signalverarbeitungsteil 12 in 1 in ihrer wesentlichen Funktion ähnlich, obwohl das Signalformat des linearen Bildsensors 24 und des Steuerteils 25 des Bildsensors sich von einem Ausgabesignal des optischen Leistungsmessers 10 etwas unterscheidet, so daß sie für eine Verarbeitung für dieses Signalformat abgewandelt sind.
Die vierte optische Faser 7 führt das in der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge modulierte optische Signal, das von der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 in den [2 × 2]-Koppler 3 eingespeist wird, vom vierten Anschluß des [2 × 2]-Kopplers 3 zur kollimierenden Linse 21 am optischen Signaldemodulationsteil, in die es dann einfällt.
Die kollimierende Linse 21 richtet das von der vierten optischen Faser 7 einfallende Licht parallel aus. Die Sammellinse 22 umfaßt z.B. eine zylindrische Linse oder ein ähnliches Element, die bewirkt, daß das von der kollimierenden Linse 21 parallelgerichtete Licht in linearer Weise gesammelt wird und in das Fizeau-Interferometer 23 einfällt. Die kollimierende Linse 21 und die Sammellinse 22 bilden ein lichtsammelndes optisches System zur Sammlung des vom äußeren Ende der vierten optischen Faser 7 ausgesendeten Lichtflusses.
Das Fizeau-Interferometer 23 ist ein Fabry-Perot-Interferometer vom Keiltyp, welches einen Keil ausbildet, d.h. einen keilförmigen Zwischenraum, wobei die teilweise reflektierenden Flächen keinen Zwischenraum ausbilden, bei dem parallele Flächen einander gegenüberliegen, sondern die teilweise reflektierenden Flächen einander mit einem geringen Neigungswinkel gegenüber liegen, wodurch der Zwischenraum sich fortschreitend ändert. Dieses Fizeau-Interferometer 23 ist in der Art angebracht, daß das von der Sammellinse 22 geradlinig gesammelte Licht auf eine Schräge fällt, d.h. es in gerader Richtung rechtwinklig zu einer Linie mit gleichem Zwischenraum liegt.
An dem Fizeau-Interferometer 23 wird das in linearer Weise gesammelte Licht an jeder Stelle des keilförmigen Zwischenraums zur Erzeugung einer optischen Korrelation mit einer wellenlängenabhängigen Charakteristik vielfach reflektiert, und die optische Intensität wird zu einem Minimum an einer Position, an der die Größe des Zwischenraums der Zwischenraumgröße der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 entspricht.
Das Fizeau-Interferometer 23 kann hergestellt werden, indem zwei Substratplatten mit parallelen Flächen verwendet werden, wobei die zwei Oberflächen geschliffen werden und z.B. eine teilweise reflektierende Schicht aus einer dünnen Induktorschicht oder ähnlichem an einer Oberfläche jeder dieser parallel geformten Substratflächen gebildet wird, und diese teilweise reflektierenden Schichten einander gegenüberliegend angebracht werden und entlang einer dünnen Linie an einem Ende zur Bildung eines keilförmigen Zwischenraums zusammengefügt werden.
Als linearer Bildsensor 24 wird z.B. ein linearer CCD (kapazitätsgekoppelte Vorrichtung)-Bildsensor, d.h. ein CCD-Zeilensensor, verwendet, um eine Position zu erfassen, an der die optische Intensität in einem durch die Sammellinse 22 gesammelten Bild des linearen Lichts bei dem Fizeau-Interferometer 23 minimal wird.
In diesem Fall bewegt der CCD-Zeilensensor zeitlich aufeinanderfolgend eine elektrische Ladung, die durch auf ein Feld eines gradlinig angeordneten Lichtempfangsteils (z.B. eine BBD (Eimerkettenschaltung) abgestrahltes Licht erzeugt wird, über ein Zeitsignal an eine dort angebrachte Elektrode und gibt sie als zeitlich aufeinanderfolgendes elektrisches Signal aus. Dementsprechend gibt der CCD-Zeilensensor zeitlich aufeinanderfolgende Ausgangssignale ab. Da die Signale zeitlich aufeinanderfolgend ausgelesen werden, wird mit hoher Abtastgeschwindigkeit ein sehr schnelles Ansprechen möglich.
Der Steuerteil 25 des Bildsensors betreibt und steuert den linearen Bildsensor, z.B. einen CCD-Zeilensensor oder eine ähnliche Vorrichtung, und gibt Bildinformationen in Zeilen aus, d.h. die zeitlich aufeinanderfolgende Information über die Verteilung der optischen Intensität entlang einer geraden Linie. Dieser Steuerteil 25 des Bildsensors enthält einen (nicht abgebildeten) Zeitgeber und liefert ein Zeitsignal, z.B. einen Arbeitstakt oder ein ähnliches Signal für jeden Abschnitt des linearen Bildsensors 24, für den A/D-Wandler 11A und den Steuerteil 25 des Bildsensors. Dieser Steuerteil 25 des Bildsensors stellt ein CCD-Steuerteil dar, wenn der lineare Bildsensor 24 z.B. ein CCD-Zeilensensor ist. Der lineare Bildsensor 24 liest die Bildinformation und gibt diese in Abhängigkeit von einem Zeitsignal aus, das vom Zeitgeber des Steuerteils 25 des Bildsensors geliefert wird.
Der Steuerteil 25 des Bildsensors arbeitet in Entsprechung zu einem Zeitsignal, z.B. dem Arbeitstakt des Zeitgebers, und enthält eine Vorverstärker-/Klemmschaltung zur Verstärkung und zum Klemmen eines Eingangssignals, eine Korrelations-Zweifachabtastschaltung zur Korrelations-Zweifachabtastung des geklemmten Signals, einen Teil zur Einstellung des Versatzes des Signals, das einer Korrelations-Zweifachabtastung unterzogen wurde, und eine Schaltung zur Einstellung einer Verstärkung des Ausgangssignals und ähnliche Elemente.
Der A/D-Wandler 11A wandelt die von dem linearen Bildsensor 24 gelesenen und vom Steuerteil 25 des Bildsensors verarbeiteten Bildinformationen in Abhängigkeit von vom Zeitgeber im Steuerteil 25 des Bildsensors gelieferten Zeitsignal in digitale Informationen um.
Der Signalverarbeitungsteil 12A verarbeitet das durch den A/D-Wandler 11A umgewandelte Signal, um ein Meßergebnis zu erzielen. Der Signalverarbeitungsteil 12A extrahiert ein gewünschtes optisches Korrelationssignal, das aus zeitlich aufeinanderfolgenden Signalen vom linearen Bildsensor 24 über den Steuerteil 25 geliefert wird, entfernt durch eine Tiefpaßfilter-Verarbeitung den hochfrequenten Rauschanteil des optischen Korrelationssignals und erhält eine Minimum- oder Maximumposition des Signals durch die Bildung einer geglätteten ersten Ableitung, eine Nullstellenbestimmung oder ähnliche Verfahren.
11 zeigt eine Anordnung des faseroptischen Interferenzsensorsystems, die als faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei das Interferometer am Teil zur Demodulation des Signals ein Michelson-Interferometer ist.
In der 11 entsprechen die Lichtquelle 1, die erste optische Faser 2, der [2 × 2]-Koppler 3, die zweite optische Faser 4, die dritte optische Faser 5, die Fabry-Perot-Belastungszelle 6, die vierte optische Faser 7 und der optische Leistungsmesser 10 den entsprechenden in der 1 dargestellten Elementen, und es wird ein Michelson-Interferometer 31 anstelle der in der 1 dargestellten Anordnung verwendet, die aus einem Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum und einem optischen Sensor 9 bestand.
Das Michelson-Interferometer 31 weist eine erste Linse 31a, eine zweite Linse 31b, einen Strahlteiler 31c, einen ersten Spiegel 31d, einen zweiten Spiegel 31e und einen optischen Sensor 31f auf.
Das Michelson-Interferometer 31 arbeitet so, daß einfallendes Licht (aus der optischen Faser 7 austretendes Licht) zuerst mit der ersten Linse 31a in paralleles Licht umgewandelt und durch den Strahlteiler 31c in zwei Richtungen aufgeteilt wird, die zueinander senkrecht stehen. Das aufgeteilte Licht wird am ersten Spiegel (Reflexionsspiegel) 31d und am zweiten Spiegel 31e reflektiert und kehrt zum Strahlteiler 31c zurück. Die zwei zum Strahlteiler 31c zurückkehrenden Lichtstrahlen überlappen einander und fallen auf den optischen Sensor 31f. Einer der Spiegel, z.B. der erste Spiegel 31d, wird durch ein (nicht abgebildetes) Piezo-Stellglied bewegt, wobei ein optisches Korrelationssignal ähnlich dem oben beschriebenen in der Nähe einer Stelle erhalten werden kann, an der die Differenz zwischen den beiden aufgeteilten optischen Wegen dem Zwischenraum der als Sensor verwendeten Fabry-Perot-Belastungszelle 6 entspricht. Dieses optische Korrelationssignal wird vom optischen Sensor 31f zum optischen Leistungsmesser 10 geführt.
Der optische Leistungsmesser 10 mißt das Ausgangssignal des optischen Sensors 31f des Michelson-Interferometers 31. Darüber hinaus können der A/D-Wandler 11A und der Signalverarbeitungsteil 12A in 11 denen in 10 entsprechen.
Als nächstes wird mit Bezugnahme auf die Zeichnungen der faseroptische Interferenzsensor gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
Der faseroptische interferometrische Sensor gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein Signal, das als Hintergrund wirkt und bei dem das optische Korrelationssignal vom Meßbereich (Nennbereich des Sensors) abgelöst ist, um den Sensor zu kalibrieren, führt eine Verarbeitung einer Signalfolge auf der Basis dieser Daten durch, entfernt nicht benötigte Signale wie Schwankungen und Rauschen niedriger Frequenz oder ähnliche störende Anteile und schafft so ein hochpräzises Sensormeßsystem. In diesem faseroptischen interferometrischen Sensor reichen die die Belastung charakterisierenden Werte über den Meßbereich zur Zeit der Kalibrierung hinaus, und die Daten des Meßbereichs werden als Hintergrunddaten verwendet. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein Hochpräzisionsmeßsystem durch Einstellung eines geeigneten optischen Systems realisiert werden kann, wobei die Kosten reduziert werden können.
In den 10 und 2 wird eine Anordnung eines faseroptischen interferometrischen Sensors gezeigt, die als faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. 10 zeigt schematisch die gesamte Anordnung der vierten bevorzugten Ausführungsform, und obwohl eine tatsächliche Anordnung des Signalverarbeitungsteils der in 2 gezeigten Anordnung entspricht, entsprechende Funktion und Anordnung des Signalverarbeitungsteils 12 nicht der vorherigen Anordnung, wobei hauptsächlich die abweichenden Punkte beschrieben werden.
Der optische Leistungsmesser 10 und der auf die Ausführung gerichtete Inhalt eines in dem Programmspeicher 124 abgespeicherten Programms bei der Anordnung des Signalverarbeitungsteils 12 gemäß 2 unterscheiden sich nämlich von denen der vorhergenannten ersten oder zweiten bevorzugten Ausführungsform.
Anstelle des vorhergenannten optischen Leistungsmessers 10 wird hier ein Element beschrieben, das als Steuerteil 10 des Bildsensors bezeichnet ist.
Der Steuerteil 10 des Bildsensors betreibt und steuert den optischen Sensor 9 als einen linearen Bildsensor, z.B. einen CCD-Zeilensensor oder eine ähnliche Vorrichtung, um zeilenweise Bildinformation auszugeben, d.h. Informationen über die Verteilung der optischen Intensität entlang einer geraden Linie in zeitlich aufeinanderfolgender Weise. Wie in 2 gezeigt, enthält dieser Steuerteil 10 des Bildsensors den Zeitgeber 10a und liefert ein Zeitsignal, wie z.B. ein Arbeitstaktsignal oder ein ähnliches Signal, für jeden Abschnitt des optischen Sensors 9, für den A/D-Wandler 11 und den Steuerteil 10 des optischen Sensors. Wenn der optische Sensor 9 z.B. als CCD-Zeilensensor ausgeführt ist, wird der Steuerteil 10 des Bildsensors zu einem CCD-Steuerteil. Der optische Sensor 9 liest die Bildinformationen und gibt diese in Abhängigkeit des vom Zeitgeber 10a des Steuerteils 10 des Bildsensors gelieferten Zeitsignals aus.
Der Steuerteil 10 des Bildsensors weist eine Vorverstärker-/Klemmschaltung auf, die in Abhängigkeit von einem Zeitsignal, z.B. einem Arbeitstakt eines Zeitgebers 10a oder einem ähnlichen Signal, arbeitet und ein Eingangssignal z.B. verstärkt und klemmt, eine Korrelations-Zweifachabtastschaltung zur Korrelations-Zweifachabtastung des geklemmten Signals, einen Teil zur Einstellung des Versatzes des Signals, das einer Korrelations-Zweifachabtastung unterzogen wurde, und eine Schaltung zur Einstellung der Verstärkung des Ausgangssignals oder ähnliche Elemente auf.
Der A/D-Wandler 11 wandelt vom optischen Sensor 9 gelesene und am Steuerteil 10 des Bildsensors verarbeitete Bildinformationen in Abhängigkeit von einem Zeitsignal, das vom Zeitgeber 10a im Steuerteil 10 des Bildsensors geliefert wird, in digitale Informationen um.
Der Signalverarbeitungsteil 12 verarbeitet das vom A/D-Wandler umgewandelte Signal, um ein Meßergebnis zu erzielen. Der Signalverarbeitungsteil 12 extrahiert das gewünschte optische Korrelationssignal, das aus zeitlich aufeinanderfolgenden Signalen vom optischen Sensor 9 über den Steuerteil 10 des Bildsensors geliefert wird, entfernt durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter den hochfrequenten Rauschanteil des optischen Korrelationssignals, entfernt den niederfrequenten nicht benötigten Anteil durch das Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate, entfernt den hochfrequenten nicht benötigten Anteil und den niederfrequenten nicht benötigten Anteil, führt eine Hilbert-Transformation des Ausgangssignals durch und verschiebt dessen Phase um 90°. Die Quadratwurzel einer Summe von Quadraten eines Signals, bei dem der nicht benötigte Anteil entfernt und ein Ausgangssignal um 90° phasenverschoben wurde, wird berechnet in bezug auf ein Signal, bei dem der nicht benötigte hochfrequente Anteil und der nicht benötigte niederfrequente Anteil entfernt wurde, und ein durch eine Hilbert-Transformation um 90° verschobenes Signal wird ermittelt, und ein Hüllkurvenanteil, der durch das Entfernen des nicht benötigten hochfrequenten Anteils durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter ermittelt wird, wird differenziert, um eine Nullstelle zu erhalten, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt.
Nun wird jeder Teil des vierten Signalverarbeitungsteils 12 anhand der 2 beschrieben.
Der DSP (digitaler Signalprozessor) 121 führt eine Reihe von Signalverarbeitungsschritten (gemäß dem Flußdiagramm in 12 und dem schematischen Verarbeitungsdiagramm in 13) gemäß dem in dem Programmspeicher 124 abgespeicherten Programmablauf durch. Der DSP 121 kann nach Bedarf auf den Datenspeicher 122 und den Kalibrierungsdatenspeicher 123 im Verlauf der Signalverarbeitung zugreifen. Anstelle dieses DSPs 121 könnte eine ähnliche Funktion unter Verwendung einer Mehrzweck-MPU (Mikroprozessoreinheit) realisiert werden.
Der Datenspeicher 122 besteht z.B. aus einem RAM (Direktzugriffsspeicher), in dem verschiedene Arten von Daten von digitalisierten Bildern vom A/D-Wandler 11 und die während der Signalverarbeitung durch den DSP 121 anfallenden Zwischenstufendaten abgelegt werden. Der Kalibrierungsdatenspeicher 123 besteht z.B. aus einem EPROM (löschbarer, programmierbarer Festwertspeicher) und speichert Kalibrierungsdaten, die als Hintergrund für die Messung durch die ein Fabry-Perot-Interferometer bildende Fabry-Perot-Belastungszelle 6 dienen. Im Programmspeicher 124 ist vorab ein Programm abgespeichert worden, mit dem der DSP 121 eine Reihe von digitalen Signalverarbeitungsschritten gemäß 12 oder 13 ausführen kann.
Die Anzeige 125 kann einem Anwender ein Ergebnis der Verarbeitung durch den DSP 121 und die durch diese Verarbeitung gewonnene Information in gewünschter Form anzeigen. Ein D/A-Wandler 126 wandelt das Ergebnis der Verarbeitung durch den DSP 121 und die durch die Verarbeitung erzeugten Informationen von digitalen Werten in analoge Werte um und gibt diese aus.
Die Folge von digitalen Signalverarbeitungsschritten im Signalverarbeitungsteil 12 wird durch den DSP 121 ausgeführt, während dabei auf den Datenspeicher 122 und den Kalibrierungsdatenspeicher 123 gemäß einem in den Programmspeicher 124 geschriebenen Verarbeitungsablauf in geeigneter Weise zugegriffen wird.
Im folgenden wird eine Anordnung des Meßsystems beim Anzeigen von tatsächlich durchgeführten Meßdaten beschrieben.
Zuerst wird ein Überblick über das Meßsystem gegeben. Als schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle 1 wurde eine LED (lichtemittierende Diode) (L7560 [HAMAMATSU]) mit einer zentralen Wellenlänge von etwa 850 nm und einer Halbwertsbreite von etwa 60 nm verwendet. 14 zeigt eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung der bei dieser Messung verwendeten LED nach dem Durchgang durch die optische Faser (G150/125, NA=0.12).
Als optischer Sensor 9 wurde eine lineare CCD mit 5.000 Pixeln (KLI-5001E[Kodak-Marke]) und ihre Auswertekarte (KLI-5001EB[Kodak]) verwendet. Darüber hinaus wurde als A/D-Wandler 11 zur A/D-Wandlung des Ausgangssignals des optischen Sensors 9 der A/D-Wandler (ADC-150A[KYOWA], 12 Bit, 200 kHz) mit 12 Quantisierungsbits und einer Abtastfrequenz von 200 kHz verwendet. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 11 wurde durch eine GBIB-Universal-Schnittstelle in einem PC eingegeben, der als Signalverarbeitungsteil 12 diente.
Bei der tatsächlichen Messung der Daten wurde ein PC anstelle des DSPs 121 eingesetzt, um eine entsprechende Signalverarbeitung durchzuführen. Das bedeutet, für die in den PC eingegebenen Signale wurde ein später beschriebenes dem Verfahren der Erfindung gemäßes Signalverarbeitungsprogramm mit einer Anwendungsentwicklungssoftware (LabVIEW[NATIONAL INSTRUMENTS]) geschrieben und anschließend ausgeführt.
Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wird bei einer bestimmten Belastung der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 die Membran 6b verformt und dadurch die Zwischenraumgröße verändert, und die Belastung wird durch Erfassung der Veränderung des Zwischenraums berechnet. In diesem Fall tritt bei der tatsächlich für die Messung verwendeten Fabry-Perot-Belastungszelle 6 eine Verschiebung von etwa 3 μm bei 9.807N (1 kgf) auf.
Darüber hinaus war das Fizeau-Interferometer 10 derart ausgelegt, daß zwei Substratplatten mit parallelen Grundflächen mit einem Grad der Parallelität von 5'' oder weniger als Doppelflächen verwendet wurden, um einen Genauigkeitsgrad von λ/10 in bezug auf die Ebene zu erreichen, eine aus einer dünnen Induktorschicht bestehende teilweise reflektierende Schicht an der Oberfläche jeder der Flächen gebildet wurde, die Oberflächen der teilweise reflektierenden Schichten einander gegenüberlagen und der keilförmige Zwischenraum durch ihre Zusammenführung entlang einer dünnen Linie an einem Ende ausgebildet wurde.
Nun wird unter Bezug auf die 12 und 13 eine Kalibrierung eines Sensors und eine Signalverarbeitung bei einem Sensors gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hauptsächlich am Signalverarbeitungsteil 12 der faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps, die als faseroptischer interferometrischer Sensor gemäß den 10 und 2 verwendet wird, beschrieben. 12 zeigt ein Flußdiagramm einer Signalverarbeitung und 13 zeigt schematisch einen Verarbeitungsalgorithmus. Jeder der Verarbeitungsblöcke in 13 bezieht sich auf einen Verarbeitungsschritt in 12, und die in 12 und in 13 verwendeten Bezugszeichen sind identisch.
In 15 werden einige tatsächliche Daten von Ausgangssignalen des linearen Bildsensors 24, der z.B. eine CCD verwendet, gezeigt, wenn ein Belastungsgewicht auf die Fabry-Perot-Belastungszelle 6, die als eine faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps wirkt, aufgebracht und gemessen wird, wobei keine Feineinstellung in einem optischen System, wie dem lichtsammelnden optischen System mit der kollimierenden Linse 21 und der Sammellinse 22, das das Meßsystem bildet, vorgenommen wurde. In 15 ist deutlich zu erkennen, daß der von einer gestrichelten Linie umschlossene Abschnitt zum gewünschten optischen Korrelationssignal gehört, wobei dieser sich mit einem Ansteigen des Belastungsgewichts weiterbewegt.
Jedoch ist, wie aus 15 ersichtlich, ein großer nicht benötigter Signalanteil, z.B. Schwankungen niedriger Frequenz und Rauschen oder ähnliches, im Ausgangssignal des linearen Bildsensors 24, der eine CCD verwendet, enthalten, und so ist es schwierig, den Extremwert des optischen Korrelationssignals zu erfassen.
Daher hat die vorliegende Erfindung eine Signalverarbeitung geschaffen, bei der das optische Korrelationssignal aus den Ausgangssignaldaten des linearen Bildsensors 24, der die vorhergenannte CCD oder ähnliches verwendet, extrahiert wird, und eine Hochpräzisionsmessung wird realisiert.
Das bedeutet, daß kein optisches Korrelationssignal in den tatsächlichen Ausgangssignaldaten des linearen Bildsensors 24, der die CCD verwendet, bei dem Belastungsgewicht von 107N gemäß 15 enthalten ist. Aufgrund dieser Tatsache wird dieses Signal vorab in den Kalibrierungsdatenspeicher 123 geschrieben, der ein EPROM oder ein ähnliches Element umfaßt, als Hintergrunddatensatz ohne optisches Korrelationssignal abgespeichert, und es wird anschließend zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals während der später beschriebenen Signalverarbeitung verwendet. Diese Verarbeitung ist ein wichtiger Punkt der vorliegenden Erfindung.
Anschließend wird unter Bezugnahme auf die 12 und 13 die Signalverarbeitung zur Erfassung der Position eines Extremwertes des optischen Korrelationssignals aus den tatsächlichen Ausgangssignaldaten des optischen Sensors 9, der eine CCD verwendet, beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind mit den Ausgangssignaldaten des optischen Sensors 9, der eine CCD verwendet, die Ausgangssignaldaten nach ihrer Umwandlung durch den A/D-Wandler 11 gemeint, wobei die Schritt-Nummern, z.B. S1 und S2 usw., einen Verarbeitungsschritt bezeichnen, wobei in den 12 und 13 dafür dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
<Stufe S1: Extrahierung eines optischen Korrelationssignals>
In 16 wird ein Verfahren zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals [S_LCOR(n)] aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignaldaten [S_SIG(n)] des optischen Sensors 9 gezeigt, wobei (n) die Nummer eines Datenelements der zeitlich aufeinanderfolgenden Signaldaten bezeichnet.
In 16 enthalten die zeitlich aufeinanderfolgenden Daten (107N) [S_BACK(n)], dargestellt durch eine Kurve C11, kein wie oben beschriebenes optisches Korrelationssignal, wobei dieses Signal im voraus in den Kalibrierungsdatenspeicher 123 als Hintergrundsignal geschrieben wird. Dieses Hintergrundsignal wird verwendet, wenn bei einer auf den Sensor ausgeübten Belastung die Extrahierung des optischen Korrelationssignals aus den Ausgangssignaldaten des optischen Sensors 9 durchgeführt wird. Auch wenn das optische Korrelationssignal in dem Signal, das als Hintergrundsignal fungiert, enthalten ist, reicht es aus, es aus dem auf den Nennbereich des Sensors bezogenen Meßbereich herauszubewegen, indem zum Beispiel eine den Nennwert übersteigende Belastung ausgeübt wird, und es ist nicht notwendig, einen Zustand herbeizuführen, bei dem das Signal vollständig wie oben beschrieben aus dem zeitlich aufeinanderfolgenden Signal entfernt ist. D.h., daß bei der Kalibrierung die über den Meßbereich hinausreichenden die Belastung charakterisierenden Werte aufgenommen und vorab in den Kalibrierungsdatenspeicher 123, der ein EPROM oder eine ähnliche Vorrichtung umfaßt, geschrieben und die Daten des Meßbereichs als Hintergrunddaten verwendet werden.
In der 16 zeigt ein durch eine Kurve C12 dargestelltes Signal (29N) die tatsächlichen Ausgangssignaldaten S_SIG(n) des linearen CCD-Bildsensors 11, wenn eine Belastung ausgeübt wird, das heißt, das Belastungssignal liefert die Ursprungsdaten für die Extrahierung des optischen Korrelationssignals.
Um das optische Korrelationssignal zu extrahieren wird zuerst ein Koeffizient K mit einem durch eine Kurve C11 dargestellten Hintergrundsignal S_BACK(n) (107N) multipliziert, und ein Pegel des Hintergrundsignals wird in Übereinstimmung gebracht zu einem Pegel niederfrequenter Schwankungen der tatsächlichen Ausgangssignaldaten des mit einer Belastung versehenen optischen Sensors 9 (Kurve C13 in 16 zeigt das Signal S_BACK(n) mit angepaßtem Pegel).
Im Anschluß daran werden die durch die Kurve C13 dargestellten Daten zur Pegelanpassung von dem durch die Kurve C12 dargestellten, ein tatsächliches Ausgangssignal eines mit einer Belastung versehenen optischen Sensors 9 bezeichnenden Signal (29N) subtrahiert, und anschließend wird ein durch eine Kurve C14 bezeichnetes optisches Korrelationssignal S_LCOR(n) extrahiert.
Dieses Verfahren wird durch eine mathematische Gleichung (4) ausgedrückt: SLCOR(n) = SSIG(n) – K·SBACK(n) (4)
In der 17 wird eine Veränderung des durch das zuvor genannte Verfahren aus den tatsächlichen Ausgangssignaldaten des optischen Sensors 9 extrahierten optischen Korrelationssignals S_LCOR(n) dargestellt, wenn die Messung unter Verwendung des Belastungsgewichts gemäß 15 durchgeführt wird. Es ist ersichtlich, daß die Position des optischen Korrelationssignals sich in Abhängigkeit von der Belastungsgröße verändert. In diesem Fall wird der Koeffizient K an den Pegel des Ausgangssignals während der Messung angepaßt.
Die 18A, 18B und 18C zeigen eine Signalform während des Extrahierens des optischen Korrelationssignals bei verschiedenen Belastungsgrößen.
<Stufe S2: LPF-Verfahren>
Als nächstes wird der nicht benötigte hochfrequente Anteil des optischen Korrelationssignals [S_LCOR(n)] durch ein oben beschriebenes Verfahren mit einem LPF (Tiefpaßfilter) entfernt. 19 zeigt ein optisches Korrelationssignal [S_LCOR,LPF(n)] bei verschiedenen Belastungsgrößen, wobei der hochfrequente Anteil durch Tiefpaßfilterung entfernt worden ist.
<Stufe S3: Entfernung eines niederfrequenten Anteils>
Die niederfrequenten Anteile des in Stufe 2 mit einem Tiefpaßfilter verarbeiteten optischen Korrelationssignals [S_LCOR,LPF(n)] werden durch das Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate [S_DC(n)] entfernt. Darüber hinaus könnte in einem Verfahren zum Entfernen der niederfrequenten Anteile ein Hochpaßfilter (HPF) anstelle des Verfahrens der kleinsten Quadrate verwendet werden.
Das häufig verwendete Verfahren der kleinsten Quadrate ist in der Fachwelt bekannt als ein Verfahren zur Spezifizierung des Funktionstyps und zur Anpassung der gemessenen Daten an eine Kurve. Bei dem Verfahren der kleinsten Quadrate wird eine gekrümmte Linie an eine Standardfunktion angepaßt, wobei die Summe der Quadrate eines bestimmten Standardwertes möglichst klein gemacht wird. Als Standardwert wird die Differenz zwischen einem Datenwert und dem zu einer angepaßten Standardfunktion passenden Funktionswert verwendet, d.h. es wird die Summe der Quadrate einer Differenz berechnet, und man erhält einen Koeffizienten der Standardfunktion, bei dem die Summe zu einem Minimum wird, d.h. ein Koeffizient zur Anpassung wird auf numerischem Wege berechnet.
Hier wird das Verfahren der kleinsten Quadrate zur Entfernung niederfrequenter Anteile aus den gemessenen Daten verwendet. Das zu extrahierende optische Korrelationssignal ist ein um den vorherbestimmten Referenzwert in gleicher Weise aufwärts oder abwärts schwingender Anteil (1,00 in 33A). Dementsprechend kann, im Falle daß der niederfrequente Anteil das optische Korrelationssignal überlappt, das optische Korrelationssignal ohne niederfrequenten Anteil gemäß 33A erhalten werden durch den Erhalt einer den niederfrequenten Anteil beschreibenden Kurve bei Anwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate und durch die Bildung der Differenz zwischen dieser Kurve und dem Ursprungssignal.
Der Verarbeitungsschritt des zuvor genannten Schritts S2 wird mathematisch durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt: SDC(n) = SLCOR,LPF(n) – SFIT(n) (5),wobei S_FIT(n) eine Kurve ist, die einen niederfrequenten Anteil beschreibt, der mit Hilfe der Meßdaten unter Anwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate z.B. mit einer Kurvengleichung (Multinomiale) gemäß Gleichung (6) berechnet wird: SFIT(x) = A0 + A1·x + A2·x2 + ... + A10·x9 + A11·x10 (6),wobei A_M (m = 0, 1, ..., 10) ein Koeffizient der Kurvengleichung ist und mit Hilfe der Meßdaten mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate berechnet wird.
20A zeigt ein Beispiel einer Signalform, bei der der niederfrequente Anteil aus dem optischen Korrelationsignal mit einem Tiefpaßfilter entfernt wurde, und 20B zeigt ein Beispiel einer Signalform mit vergrößerter Abszisse.
Das Verfahren des eben genannten Schritts S3 ist notwendig zur Durchführung einer Hilbert-Transformation bei der nachfolgenden Verarbeitung.
<Schritt S4: Phasenverschiebung einer Signalform um 90° durch eine Hilbert-Transformation>
Ein Signal [S_DC(n)] mit im Schritt S3 entferntem niederfrequenten Anteil wird Hilbert-transformiert zur Erzeugung eines um 90° phasenverschobenen Signals gemäß Gleichung (7): S90(n) = H ^ [SDC(n)] (7),wobei H ^ einen Operator zur Hilbert-Transformation bezeichnet.
Bei der Durchführung der Hilbert-Transformation H ^ [S_DC(n)] kann ihr realer Anteil ein der ursprünglichen Signalform S_DC(n) ähnliches Signal und ihr imaginärer Anteil ein in bezug auf das Signal des realen Anteils um 90° phasenverschobenes Signal bilden. 21 zeigt die in zeitlicher Aufeinanderfolge auftretenden ursprünglichen Signale [S_DC(n)] und eine Signalform eines Signals [S₉₀(n)], welches eine Hilbert-Transformierte der ursprünglichen Signale ist.
Dieses Verfahren wird unter der Annahme durchgeführt, daß ein Vorspannungsanteil und ein zum Korrelationssignal gehörender Frequenzanteil vollständig getrennt sind, d.h. es sind keine Schwankungen niedriger Frequenz vorhanden. Daher ist es notwendig, daß "eine Entfernung eines niederfrequenten Anteils" durch den zuvor genannten Schritt S3 als Vorbehandlung durchgeführt wird.
<Schritt S5: Erste Berechnung einer Hüllkurve>
Ein der Hüllkurve eines ursprünglichen Signals [S_DC(n)] ähnliches Signal [S_ENV(n)] wird aus einem Signal [S_DC(n)] mit entferntem niederfrequentem Anteil und einem durch eine Hilbert-Transformation des ersten Signals entstandenes Signal [S₉₀(n)], die in den Schritten S3 bzw. S4 erhalten wurden, erzeugt. Dieses Verfahren wird in Gleichung (8) wie folgt ausgedrückt:
22 zeigt ein Signal [S_DC(n)], bei dem der niederfrequente Anteil entfernt wurde, die Hilbert-Transformierte [S₉₀(n)] dieses Signals und ein Signal [S_ENV(n)], das der durch die Gleichung (8) berechneten Hüllkurve entspricht.
Anschließend wird das Prinzip, nach dem die Hüllkurve mit der Hilbert-Transformation ermittelt wird, in bezug auf die Reaktion eines Schwingungssystems mit einer Dämpfung in einem Freiheitsgrad beschrieben. Dieses Verfahren wurde zum Beispiel bereits in N. Thrane, et al: "Practical use of the Hilbert transform", Application Note, B&K, Dänemark, BO0437-11, beschrieben. Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf dieses Dokument beschrieben.
23 zeigt schematisch ein Verfahren zur Ermittlung einer Hüllkurve durch eine Hilbert-Transformation einer Impulsantwort eines Schwingungssystems mit einer Dämpfung in einem Freiheitsgrad.
Die linke obere Signalform in 23 ist die Impulsantwort, wenn ein Impuls an ein Schwingungssystem mit einer Dämpfung in einem Freiheitsgrad abgegeben wird, wobei die Schwingung mit der Zeit gedämpft wird, während sie mit einer geeigneten Frequenz ausgeführt wird. Die Signalform h(t) der Impulsantwort wird durch die Gleichung (9) ausgedrückt, wobei t die Zeit beschreibt: h(t) = A·exp(–α·t)·sin(ω0·t) (9)
Wenn die Gleichung (9) Hilbert-transformiert wird zu H ^ [h(t)], wird der reale Anteil h τ(t) der transformierten Signalform in die ursprüngliche Signalform h(t) und ein Imaginärteil in eine Signalform h ~(t) (Signalform links unten in 23) mit in bezug auf die ursprüngliche Signalform um 90° verschobener Phase geändert. Das bedeutet, es ergibt sich eine Gleichung (10) H ^ [h(t)] = h(t) = h τ(t) + j·h ~(t) (10),wobei h(t) und h ~(t) gemäß den Gleichungen (11) und (12) definiert sind: h(t) = A·exp(–α·t)·sin(ω0·t) (11) h ~(t) = A·exp(–α·t)·cos(ω0·t) (12)
Dementsprechend errechnet sich die Hüllkurve von h(t) gemäß den Gleichungen (13) und (14) aus einem absoluten Wert |h τ(t)| mit H ^|h(t)| = h τ(t).
Die Signalform der Hüllkurve gemäß Gleichung (14) entspricht der Signalform auf der rechten Seite in 23.
<Schritt S6: Zweite Berechnung einer Hüllkurve>
Dann wird das in Schritt 5 erhaltene der Hüllkurve entsprechende Signal [S_ENV(n)] einer Tiefpaßfilterung unterzogen, um den nicht benötigten hochfrequenten Anteil zu entfernen und ein zeitlich aufeinanderfolgendes Signal [S_ENV,LPF(n)] zu erzeugen, daß noch stärker an die Hüllkurve angenähert ist.
24 zeigt das ursprüngliche Signal [S_ENV(n)] und das mit einem Tiefpaßfilter verarbeitete Signal [S_ENV,LPF(n)].
<Schritt S7: Erste Berechnung der Position eines Extremwertes (Bildung einer geglätteten ersten Ableitung)>
Dann wird die erste Ableitung unter gleichzeitiger Glättung gebildet, um die Position des Extremwertes des mit einem Tiefpaßfilter in Schritt S6 verarbeiteten Signals [S_ENV,LPF(n)] zu berechnen.
Als vergleichende Darstellung zeigt 25 ein aus zeitlich aufeinanderfolgenden Signalpunkten bestehendes Signal [S_ENV,LPF(n)] und dessen Signalform, nachdem sie durch die Bildung eines einfachen Differentials bzw. eines Differentials mit gleichzeitiger Glättung verarbeitet wurde. Das Bilden eines Differentials mit gleichzeitiger Glättung besteht in einem Verfahren zur Berechnung der differenzierten Signalform aus der beobachteten Signalform, bei dem die Meßdaten einem Glättungsverfahren mit multinomialer Anpassung unterzogen werden, das gleichzeitig an der zu errechnenden differenzierten Signalform durchgeführt wird.
Hier ist das Glättungsverfahren mit multinomialer Anpassung ein Glättungsverfahren zur Entfernung eines hochfrequenten Signalanteils aus den beobachteten Signalformen und zur Glättung der Signalform. Der Glättungswert bei einem Meßpunkt wird durch Anpassung der zu beiden Seiten des Meßpunkts liegenden Meßpunkte an eine Multinomiale (Polynom) unter Anwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate berechnet. Dies wird der Reihe nach für jeden Meßpunkt zur Berechnung einer insgesamt geglätteten Signalform durchgeführt.
<Schritt S8: Zweite Berechnung der Position eines Extremwerts (Berechnung einer Nullstelle)>
Zuletzt wird die Nullstelle eines aus zeitlich aufeinanderfolgenden Signalpunkten bestehenden Signals berechnet, bei dem von der Hüllkurve in Schritt (7) eine erste Ableitung unter gleichzeitiger Glättung gebildet wurde.
Wie aus 25 ersichtlich, bezeichnet die Position, an der die mit positiven und negativen Anteilen versehene Signalform des aus zeitlich aufeinanderfolgenden Signalpunkten bestehenden Signals, dessen Hüllkurve differenziert und gleichzeitig geglättet wurde, die Nullinie kreuzt, die Position eines zu errechnenden Extremwertes.
26 zeigt bei einem Test ein Resultat der Datenverarbeitung, wobei hier eine Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps verwendet wurde, das Meßsystem gemäß 10 verwendet wurde, die zuvor genannte Signalverarbeitung ausgeführt wurde und die Position eines Extremwertes der Hüllkurve des optischen Korrelationssignals gegenüber dem Belastungsgewicht aufgetragen wurde.
Das zuvor genannte Verfahren ist nicht auf die in 10 gezeigte Anordnung beschränkt, sondern kann in gleicher Weise wie oben beschrieben ausgeführt werden entweder mit einem Michelson-Interferometer oder mit einem Fabry-Perot-Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum am Teil zur Demodulation des Signals. Obwohl in der bisherigen Beschreibung 11 als die dritte bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, paßt das in 11 Gezeigte auch, um die fünfte bevorzugte Ausführungsform darzustellen. Obwohl in 11 eine Anordnung eines faseroptischen interferometrischen Sensorsystems gezeigt wird, das als eine interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Michelson-Interferometer am Teil zur Demodulation des Signals ausgeführt ist, ist die Anordnung mit Ausnahme des Teils zur Signalverarbeitung 12A, welches gemäß der zuvor genannten vierten bevorzugten Ausführungsform ausgebildet ist, die gleiche wie die der dritten bevorzugten Ausführungsform, so daß ihre detaillierte Beschreibung unterbleibt.
Obwohl 1 als erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird in der weiteren Beschreibung das in ihr gezeigte angepaßt, um nun eine sechste bevorzugte Ausführungsform darzustellen. Das bedeutet, 1 soll nun eine Anordnung eines faseroptischen interferometrischen Sensorsystems darstel len, das als faseroptische interferometrische Fabry-Perot-Belastungszelle des Reflexionstyps gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Interferometer mit veränderbarem Zwischenraum am Teil zur Demodulation des Signals ausgebildet ist.
Ebenso entsprechen in der 1 die Lichtquelle 1, die erste optische Faser 2, der [2 × 2]-Koppler 3, die zweite optische Faser 4, die dritte optische Faser 5, die Fabry-Perot-Belastungszelle 6 und die vierte optische Faser 7 den entsprechenden in der 10 dargestellten Elementen, wobei dort das Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum, der optische Sensor 9 und der optische Leistungsmesser 10 entsprechend den in 11 dargestellten Elementen anstelle der Anordnung des Teils zur Demodulation des Signals, der die kollimierende Linse 21, die Sammellinse 22, das Fizeau-Interferometer 23, den linearen Bildsensor 24 und den Steuerteil 25 des Bildsensors gemäß 10 aufweist, verwendet werden.
Das Fabry-Perot-Interferometer 8 mit veränderbarem Zwischenraum weist ein Interferometer 8a mit veränderbarem Zwischenraum auf, dessen Zwischenraum durch ein (nicht gezeigtes) Piezo-Stellglied oder ein ähnliches Element verändert werden kann. Es ist möglich, ein optisches Korrelationssignal entsprechend dem oben Beschriebenen nahe dem Sensorzwischenraum der Fabry-Perot-Belastungszelle 6 zu erreichen, indem dieser Zwischenraum verändert wird. Dieses optische Korrelationssignal wird vom optischen Sensor 9 zum optischen Leistungsmesser 10 geleitet und gemessen.
Auch der signalverarbeitende Teil 12 entspricht bei der sechsten bevorzugten Ausführungsform dem zuvor bei der vierten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen.
Das signalverarbeitende System des faseroptischen Interferenzsensors der vorliegenden Erfindung kann durch die Verwendung eines gewöhnlichen Computersystems anstelle eines speziell zugeschnittenen Systems realisiert werden. Z. B. kann ein Programm auf dem Computersystem durch ein Medium wie eine Diskette, eine CD-ROM oder ähnliche Medien installiert werden, welches das Programm zur Ausführung des zuvor genannten Verfahrens enthält, womit es das signalverarbeitende System des faseroptischen interferometrischen Sensors zur Ausführung der zuvor genannten Verarbeitung bilden kann. Das Programm wird auf einem Medium wie einer Festplatte des Computersystems während dieser Installation abgespeichert, um das signalverarbeitende System des faseroptischen Interferenzsensors zu bilden, und es wird zu seiner Ausführung angepaßt.
Darüber hinaus ist auch eine Anwendung möglich, bei der das Programm auf einem FTP (File Transfer Protocol)-Server, der in einem Kommunikationsnetzwerk wie dem Internet oder einem ähnlichen Netz installiert ist, gespeichert ist, und das Programm an den FTP-Client über das Netzwerk geliefert wird. Es ist auch denkbar, das Programm in einem elektronischen schwarzen Brett (BBS: Bulletin Board System) des Kommunikationsnetzwerks zu speichern und das Programm über das Netzwerk zu verteilen. Dann wird dieses Programm, gesteuert durch ein Betriebssystem (OS), gestartet und ausgeführt, wodurch die zuvor genannte Verarbeitung ausgeführt werden kann. Darüber hinaus kann die zuvor genannte Verarbeitung dadurch ausgeführt werden, daß sie gestartet und ausgeführt wird, während das Programm über das Kommunikationsnetzwerk übertragen wird.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen faseroptischen interferometrischen Sensor, ein Signalverarbeitungssystem für den faseroptischen interferometrischen Sensor und ein Speichermedium zu schaffen, bei denen Störungen durch nicht benötigte Signalanteile wie Schwankungen und Rauschen niedriger Frequenzen mit einer einfachen Anordnung wirksam vermindert werden können und ein hochpräzises Meßergebnis durch eine bequeme Einstellung eines optischen Systems und durch eine einfache Signalverarbeitung des erfaßten Signals erreicht werden kann.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird ein faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, der sich in Abhängigkeit von Änderungen einer physikalischen Größe, z.B. Kraft, mechanische Spannung, Druck, Temperatur, verändert, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser geschaffen, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit einem Sensor zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird, eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird, ein Wert der physikalischen Größe gemessen wird und eine Lichtquelle mit einer einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung als eine schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle verwendet wird, ein gewünschtes optisches Korrelationssignal aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung mit einem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals extrahiert wird, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals mit einem Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition bei dem vom Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegebenen optischen Korrelationssignal berechnet wird, wobei der Einfluß einiger nicht benötigter Signalanteile wie Schwankungen und Rauschen niedriger Frequenzen oder ähnliches mit einer einfachen Anordnung wirksam vermindert werden kann, ein hochpräzises Meßergebnis durch eine einfache Einstellung eines optischen Systems und durch eine einfache Signalverarbeitung des erfaßten Signals erreicht werden kann und insbesondere ein hochpräzises Meßergebnis auch mit der einfachen Anordnung, die das Signalverarbeitungssystem umfaßt, erreicht werden kann.
Darüber hinaus wird gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung ein faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor geschaffen, bei dem eine Lichtquelle mit einer einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung als die schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle verwendet wird, ein gewünschtes optisches Korrelationssignal aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung extrahiert wird, ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil im optischen Korrelationssignal, das von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegeben wird, durch ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines hochfrequenten Anteils entfernt wird und eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals mit einem Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition in dem optischen Korrelationssignal mit entferntem nicht benötigtem hochfrequenten Anteil, das von dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung des hochfrequenten Anteils ausgegeben wird, erhalten wird, wobei insbesondere eine wirksame Messung auch in dem Fall ausgeführt werden kann, daß ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil in dem gemessenen Signal enthalten ist.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 3 kann eine hochpräzise Messung insbesondere mit einer einfachen Anordnung realisiert werden, bei der die Lichtquelle mit einem einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung entweder eine Halogenlampe oder eine weißes Licht ausstrahlende Diode ist.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung umfaßt das Mittel zur Extrahierung des Korrelationssignals ein Mittel zur Entfernung eines Hintergrundsignals, das dazu dient, ein Hintergrundsignal, welches sich in Abhängigkeit von dem gemessenen Zwischen raum verändert, aus dem Ausgangssignal des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zu entfernen, wobei insbesondere der nicht benötigte Anteil wirksam entfernt oder vermindert werden kann.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 5 der vorliegenden Erfindung enthält das Mittel zur Entfernung eines Hintergrundsignals Mittel zur Abschätzung eines variablen Hintergrundsignals durch ein multinomiales Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate und zur Entfernung eines Hintergrundsignals, welches sich in Abhängigkeit von dem gemessenen Zwischenraum verändert, aus einem Ausgangssignal des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung, wobei insbesondere die Entfernung oder die Verminderung des nicht benötigten Anteils durch ein einfaches und wirksames Verfahren realisiert werden kann.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 6 weist das Mittel zur Entfernung des Hintergrundsignals ein Mittel zur Entfernung eines Hintergrundsignals aus dem Ausgangssignal des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung, welches sich in bezug auf den gemessenen Zwischenraum verändert, auf, wobei tatsächlich gemessene Daten, die in einem gewünschten Meßbereich kein optisches Korrelationssignal enthalten, als ein Hintergrundsignal verwendet werden, wobei insbesondere die Entfernung oder Verminderung des nicht benötigten Anteils durch ein einfaches und wirksames Verfahren realisiert werden kann.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 7 enthält das Mittel zur Berechnung der Extremwertposition
ein Mittel zur Bildung einer Ableitung mit gleichzeitiger Glättung des optischen Korrelationssignals durch ein glättendes Polynom-Anpaßverfahren und
ein Mittel zur Berechnung der Position einer Nullstelle, an der das Ausgangssignal des Mittels zur Bildung einer Ableitung mit gleichzeitiger Glättung die Null-Linie kreuzt, wobei insbesondere ein nicht benötigter Anteil wirksam entfernt oder vermindert werden kann und eine hochpräzise Messung realisiert werden kann.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 8 umfaßt das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines hochfrequenten Anteils einen Tiefpaßfilter, wobei insbesondere eine hochpräzise Messung durch eine einfache Anordnung realisiert werden kann.
Bei dem signalverarbeitenden System eines faseroptischen interferometrischen Sensors nach Anspruch 9 der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein signalverarbeitendes System eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit einem Sensor zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird, eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird, wobei eine Lichtquelle mit einer einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung als die schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle verwendet wird, ein gewünschtes optisches Korrelationssignal aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung mit einem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals extrahiert wird und eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals mit einem Mittel zur Berechung einer Extremwertposition in dem von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegebenen optischen Korrelationssignal erhalten wird, wodurch sich insbesondere eine einfache Anordnung für das Signalverarbeitungssystem zur Erzielung eines hochpräzisen Meßergebnisses realisieren läßt.
Darüber hinaus wird gemäß dem Signalverarbeitungssystem des faseroptischen interferometrischen Sensors nach Anspruch 10 der vorliegenden Erfindung ein Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser geschaffen, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit einem Sensor zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird, eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird, wobei eine Lichtquelle mit einer einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung als die schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle verwendet wird, ein gewünschtes optisches Korrelationssignal aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung mit einem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals extrahiert wird, ein von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelations signals ausgegebener nicht benötigter hochfrequenter Anteil des optischen Korrelationssignals mit einem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung hochfrequenter Anteile entfernt wird, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals mit einem Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition aus einem optischen Korrelationssignal mit entferntem nicht benötigten hochfrequenten Anteil, das aus dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines hochfrequenten Anteils ausgegeben wurde, erhalten wird, wobei insbesondere eine wirksame Messung auch dann ausgeführt werden kann, wenn ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil in dem gemessenen Signal enthalten ist.
Darüber hinaus wird gemäß einem computerlesbaren Speichermedium nach Anspruch 11 der vorliegenden Erfindung, dann, wenn eine Signalverarbeitung ausgeführt wird bei einem faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit dem Sensor zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird und eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird, ein Programm, durch das ein Computer zu einem Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung und
einem Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition zur Erfassung einer Minimum- oder einer Maximumposition des optischen Korrelationssignals, das von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegeben wurde, wird,
gespeichert und ausgeführt, und insbesondere wird es durch die Signalverarbeitung bei dem faseroptischen interferometrischen Sensor durch einen Computer möglich, ein hochpräzises Meßergebnis auch mit einer einfachen Anordnung, die das Signalverarbeitungssystem umfaßt, zu erzielen.
Darüber hinaus wird gemäß dem computerlesbaren Speichermedium nach Anspruch 12 der vorliegenden Erfindung ein Programm abgespeichert und ausgeführt, bei dessen Ausführung ein Computer als
ein Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen eines Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung,
ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils in dem von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegebenen optischen Korrelationssignal und als
ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition zur Erfassung einer Minimum- oder einer Maximumposition des optischen Korrelationssignals fungieren kann, das von dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines hochfrequenten Anteils ausgegeben wurde und bei dem der nicht benötigte hochfrequente Anteil entfernt wurde;
wenn eine Signalverarbeitung ausgeführt wird in einem faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmitiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit dem Sensor zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird und eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird, wobei insbesondere bei der Signalverarbeitung des faseroptischen interferrometrischen Sensors durch einen Computer eine wirksame Messung auch in dem Fall ausgeführt werden kann, wenn ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil in dem gemessenen Signal enthalten ist.
Darüber hinaus wird gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 13 ein faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor, mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, dessen Größe sich in Abhängigkeit von Änderungen einer physikalischen Größe, z.B. Kraft, mechanische Spannung, Druck, Temperatur, verändert, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser geschaffen, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, das Licht in einer gleichmäßigen Verteilung der optischen Intensität linear gesammelt wird, durch ein Fizeau-Interferometer auf einen linearen Bildsensor ausgestrahlt wird, eine Maximumposition der optischen Intensität bei diesem linearen Bildsensor aus einem Ausgangssignal des linearen Bildsensors erfaßt wird, um den gemessenen Zwischenraum zu messen, wobei ein gewünschtes optisches Korrelationssignal mit einem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des linearen Bildsensors extrahiert wird, ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil und ein nicht benötigter niederfrequenter Anteil mit einem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile entfernt werden, ein Hüllkurvenanteil mit einem Mittel zur Berechnung einer Hüllkurve unter Zuhilfenahme des Signals und des mit einem Mittel zur Phasenverschiebung um 90° phasenverschobenen Signals erhalten wird und zur gleichen Zeit mit einem Mittel zur Berechnung der Position eines Extremwertes die erste Ableitung des Hüllkurvenanteils gebildet wird, eine Nullstelle, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt, erhalten wird, die Position eines Extremwertes, der die Zwischenraumgröße in Abhängigkeit von der physikalischen Größe ausdrückt, berechnet wird, wobei der Einfluß von Schwankungen niedriger Frequenz und nicht benötigter Signalanteile wie Rauschen mit einer einfachen Anordnung entfernt oder wirksam vermindert werden kann und ein hochpräzises Meßergebnis durch eine einfache Einstellung des optischen Systems erreicht werden kann.
Darüber hinaus enthält das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 14 der vorliegenden Erfindung
ein Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines hochfrequenten Rauschanteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und
ein Mittel zur Hochpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung durch eine Verarbeitung mit einem Hochpaßfilter, wobei insbesondere die nicht benötigten hochfrequenten und niederfrequenten Anteile wirksam entfernt oder vermindert werden können.
Darüber hinaus weist das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 15 der vorliegenden Erfindung
ein Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines hochfrequenten Rauschanteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und
ein Mittel zur Verarbeitung mit einem Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate zur Entfernung eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus dem Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung mit einem Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate auf, wobei insbesondere nicht benötigte hochfrequente und niederfrequente Anteile wirksam entfernt oder vermindert werden können.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 16 der vorliegenden Erfindung enthält das Mittel zur Phasenverschiebung ein Mittel zur Verschiebung der Phase eines Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile um 90° durch eine Hilbert-Transformation.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 17 der vorliegenden Erfindung umfaßt das Mittel zur Berechnung der Hüllkurve
ein Mittel zur Berechnung der Quadratwurzel einer Summe von Quadraten, das dazu dient, einen Hüllkurvenanteil aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile zu erhalten, indem die Quadratwurzel einer Summe berechnet wird, die aus dem Quadrat eines Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile und dem Quadrat des um 90° phasenverschoben Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung besteht, wobei das Ausgangssignal des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile einen Hüllkurvenanteil aufweist und
ein Mittel zur Entfernung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung der Quadratwurzel einer Summe von Quadraten durch eine Tiefpaßfilter-Verarbeitung, wobei insbesondere der nicht benötigte Anteil wirksam entfernt oder vermindert werden kann und ein hochpräzises Meßergebnis erreicht werden kann.
Gemäß dem faseroptischen interferometrischen Sensor nach Anspruch 18 weist das Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition
ein Mittel zur Berechnung des Differentials mit gleichzeitiger Glättung bei einem Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve durch ein glättendes multinomiales Anpaßverfahren und
ein Mittel zur Berechnung einer Nullstelle auf, an der ein Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung des Differentials mit gleichzeitiger Glättung die Null-Linie kreuzt, wobei insbesondere die nicht benötigten Anteile wirksam entfernt oder vermindert werden können und eine hoch präzise Messung erreicht werden kann.
Gemäß dem Signalverarbeitungssystem des faseroptischen interferometrischen Sensors nach Anspruch 19 der vorliegenden Erfindung wird ein Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser geschaffen, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohä rentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, das Licht in einer gleichmäßigen Verteilung der optischen Intensität linear gesammelt wird, durch ein Fizeau-Interferometer auf einen linearen Bildsensor ausgestrahlt wird, ein gewünschtes optisches Korrelationssignal aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des linearen Bildsensors mit einem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals extrahiert wird, ein nicht benötigter hochfrequenter Anteil und ein nicht benötigter niederfrequenter Anteil eines Ausgangssignals des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals von dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile entfernt werden, die Phase des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile mit dem Mittel zur Phasenverschiebung um 90° verschoben wird, der Hüllkurvenanteil des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile mit dem Mittel zur Berechnung der Hüllkurve unter Zuhilfenahme des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile und des um 90° phasenverschobenen Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung erhalten wird, von dem Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve mit einem Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition eine erste Ableitung gebildet wird, um eine Nullstelle zu erhalten, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt, wobei insbesondere auch mit einer einfachen Anordnung ein hochpräzises Meßergebnis erreicht werden kann.
Es wird ein Signalverarbeitungssystem für den zuvor genannten faseroptischen interferometrischen Sensor geschaffen, bei dem
das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile
ein Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines hochfrequenten Rauschanteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und
ein Mittel zur Hochpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung durch eine Verarbeitung mit einem Hochpaßfilter aufweist, wobei insbesondere nicht benötigte hochfrequente Anteile und nicht benötigte niederfrequente Anteile wirksam entfernt oder vermindert werden können.
Darüber hinaus weist das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile in dem Signalverarbeitungssystem des faseroptischen interferometrischen Sensors
ein Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines hochfrequenten Rauschanteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und
ein Mittel zur Verarbeitung mit einem Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate zur Entfernung eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch ein Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate auf, wobei insbesondere nicht benötigte hochfrequente Anteile und nicht benötigte niederfrequente Anteile wirksam entfernt oder vermindert werden können.
Darüber hinaus weist das Mittel zur Phasenverschiebung gemäß dem Signalverarbeitungssystem des faseroptischen interferometrischen Sensors ein Mittel zur Phasenverschiebung eines Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile um 90° durch eine Hilbert-Transformation auf, wobei insbesondere die nicht benötigten Anteile wirksam entfernt oder vermindert werden können.
Darüber hinaus weist das Mittel zur Berechnung der Hüllkurve gemäß dem Signalverarbeitungssystem des faseroptischen interferometrischen Sensors
ein Mittel zur Berechnung der Quadratwurzel einer Summe von Quadraten eines Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile und eines um 90° phasenverschobenen Ausgangssignals eines Mittels zur Phasenverschiebung und
ein Mittel zur Entfernung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils eines Ausgangssignals des Mittels zur Berechnung der Quadratwurzel einer Summe von Quadraten durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter auf, wobei insbesondere der nicht benötigte Anteil wirksam entfernt oder vermindert werden kann und eine hochpräzise Messung erreicht werden kann.
Darüber hinaus weist das Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition gemäß dem Signalverarbeitungssystem des faseroptischen interferometrischen Sensors
ein Mittel zur Bildung eines Differentials mit gleichzeitiger Glättung des Ausgangssignals des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve durch ein glättendes mulinomiales Anpaßverfahren und
ein Mittel zur Berechnung einer Nullstelle auf, an der ein Ausgangssignal des Mittels zur Bildung des Differentials mit gleichzeitiger Glättung die Null-Linie kreuzt, wobei insbesondere ein nicht benötigter Anteil wirksam entfernt oder vermindert werden kann und eine hoch präzise Messung erreicht werden kann.
Gemäß einem computerlesbaren Speichermedium nach Anspruch 20 der vorliegenden Erfindung wird bei einem Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors mit einem Sensorteil mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, das Licht in einer gleichmäßigen Verteilung der optischen Intensität linear gesammelt wird, durch ein Fizeau-Interferometer auf einen linearen Bildsensor ausgestrahlt wird und eine Maximumposition der optischen Intensität bei diesem linearen Bildsensor aus einem Ausgangssignal des linearen Bildsensors berechnet wird, um den gemessenen Zwischenraum zu messen, und ein Programm gespeichert, bei dessen Ausführung ein Computer zu
einem Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des linearen Bildsensors,
einem Mittel zur Entfernung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils und eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals,
einem Mittel zur Phasenverschiebung des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile um 90°,
einem Mittel zur Berechnung einer Hüllkurve, um einen Hüllkurvenanteil des Ausgansgssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile unter Zuhilfenahme des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile und des um 90° phasenverschobenen Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung zu erhalten und
einem Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition wird, das dazu dient, eine erste Ableitung des Ausgangssignals des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve zu bilden, um eine Nullstelle zu erhalten, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt, wobei insbesondere bei der Signalverarbeitung des faseroptischen interferometrischen Sensors auch bei einer einfachen Anordnung des Meßsystems ein hoch präzises Meßergebnis erreicht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung in bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung sich nicht auf die zuvor genannten bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedene Modifikationen unter ihren Schutzumfang fallen sollen.

Claims

Faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, dessen Größe sich in Abhängigkeit von Änderungen einer physikalischen Größe, z.B. Kraft, mechanische Spannung, Druck, Temperatur, verändert, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit einem Sensor (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird, eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird und ein Wert der physikalischen Größe gemessen wird, und der Fabry-Perot-Sensor darüber hinaus eine Lichtquelle (1) mit einer einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung, die als die schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle dient, ein Mittel (12) zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung und ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition umfaßt, das dazu dient, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals zu ermitteln, das von dem Mittel zur Extrahierung eines optischen Korrelationssignals ausgegeben wurde.
Faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor gemäß Anspruch 1, der weiterhin folgendes umfaßt: ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils in dem von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegebenen optischen Korrelationssignal und ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition, das dazu dient, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals zu ermitteln, bei dem die nicht benötigten hochfrequenten Anteile entfernt wurden und das von dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils ausgegeben wurde.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle (1) mit der einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung eine Halogenlampe oder eine weißes Licht emittierende Diode ist.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ein Mittel zur Entfernung eines Hintergrundsignals umfaßt, das dazu dient, ein Hintergrundsignal, welches sich in Abhängigkeit von dem gemessenen Zwischenraum verändert, aus dem Ausgangssignal des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zu entfernen.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach Anspruch 4, bei dem das Mittel zur Entfernung eines Hintergrundsignals ein Mittel zur Abschätzung eines Hintergrundsignals durch ein multinomiales Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate und zur Entfernung des variablen Hintergrundsignals, welches sich in Abhängigkeit von dem gemessenen Zwischenraum verändert, aus einem Ausgangssignal des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung umfaßt.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach Anspruch 4, bei dem das Mittel zur Entfernung eines Hintergrundsignals ein Mittel zur Entfernung eines variablen Hintergrundsignals, welches sich in Abhängigkeit von dem gemessenen Zwischenraum verändert, aus einem Ausgangssignal des Sensors zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung aufweist, wobei tatsächlich gemessene Daten, die in einem gewünschten Meßbereich kein optisches Korrelationssignal enthalten, als ein Hintergrundsignal verwendet werden.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition ein Mittel zur Bildung einer Ableitung mit gleichzeitiger Glättung des optischen Korrelationssignals durch ein glättendes Polynom-Anpaßverfahren und ein Mittel zur Berechnung einer Nullstelle, an der das Ausgangssignal des Mittels zur Bildung einer Ableitung mit gleichzeitiger Glättung die Null-Linie kreuzt, umfaßt.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach Anspruch 2, bei dem das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines hochfrequenten Anteils einen Tiefpaßfilter aufweist.
Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit einem Sensor (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird, eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird und darüber hinaus eine Lichtquelle (1) mit einer einen breiten Wellenlängenbereich umfassenden Spektralverteilung, die als die schwach kohärentes Licht abstrahlende Lichtquelle dient, ein Mittel (12) zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Sensors (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung und ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition vorgesehen ist, das dazu dient, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals zu ermitteln, das von dem Mittel zur Extrahierung eines optischen Korrelationssignals ausgegeben wurde.
Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors gemäß Anspruch 9, welches ferner umfaßt: ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils in dem von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegebenen optischen Korrelationssignal und ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition, das dazu dient, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals zu ermitteln, bei dem die nicht benötigten hochfrequenten Anteile entfernt wurden und das von dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils ausgegeben wurde.
Computerlesbares Speichermedium, das ein Programm enthält, bei dessen Ausführung ein Computer als ein Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen eines Sensors (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung und als ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition fungieren kann, das dazu dient, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals zu ermitteln, das von dem Mittel zur Extrahierung eines optischen Korrelationssignals ausgegebenen wurde, und zwar wenn eine Signalverarbeitung ausgeführt wird in einem faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, bei unterschiedlichen Zwischenraumgrößen mit dem Sensor (9) zur Erfassung der optischen Intensitätsverteilung zeitlich aufeinanderfolgend die optische Intensität ermittelt wird und eine Position minimaler oder eine Position maximaler optischer Intensität zur Messung des gemessenen Zwischenraums erfaßt wird.
Computerlesbares Speichermedium gemäß Anspruch 11, das ein Programm enthält, bei dessen Ausführung ein Computer ferner als ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils in dem von dem Mittel zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals ausgegebenen optischen Korrelationssignal und als ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition fungieren kann, das dazu dient, eine Minimum- oder eine Maximumposition des optischen Korrelationssignals zu ermitteln, bei dem der nicht benötigte hochfrequente Anteil entfernt wurde und das von dem Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils ausgegebenen wurde.
Faseroptischer interferometrischer Fabry-Perot-Sensor mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, dessen Größe sich in Abhängigkeit von Änderungen einer physikalischen Größe, z.B. Kraft, mechanische Spannung, Druck, Temperatur, verändert, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, das Licht in einer gleichmäßigen Verteilung der optischen Intensität linear gesammelt wird, durch ein Fizeau-Interferometer (23) auf einen linearen Bildsensor (24) ausgestrahlt wird, eine Maximumposition der optischen Intensität bei diesem linearen Bildsensor aus einem Ausgangssignal des linearen Bildsensors erfaßt wird, um den gemessenen Zwischenraum zu erhalten, und ein Wert der physikalischen Größe gemessen wird und der Fabry-Perot-Sensor darüber hinaus ein Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des linearen Bildsensors, ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils und eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils in dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals, ein Mittel zur Phasenverschiebung des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils um 90°, ein Mittel zur Hüllkurvenberechnung, um eine Hüllkurvenkomponente (S_ENV(n)) des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils und des um 90° phasenverschobenes Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung zu erhalten und ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition umfaßt, das dazu dient, eine erste Ableitung des Ausgangssignals des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve zu bilden, um eine Nullstelle zu erhalten, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach Anspruch 13, bei dem das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile ein Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines hochfrequenten Rauschanteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und ein Mittel zur Hochpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung durch eine Verarbeitung mit einem Hochpaßfilter aufweist.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach Anspruch 13, bei dem das Mittel zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile ein Mittel zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung zur Entfernung eines hochfrequenten Rauschanteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals durch eine Verarbeitung mit einem Tiefpaßfilter und ein Mittel zur Verarbeitung mit einem Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate zur Entfernung eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Tiefpaßfilter-Verarbeitung mit einem Anpaßverfahren der kleinsten Quadrate aufweist.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Mittel zur Phasenverschiebung eines Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile die Phasenverschiebung um 90° durch eine Hilbert-Transformation erreicht.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das Mittel zur Berechnung der Hüllkurve ein Mittel zur Berechnung der Quadratwurzel einer Summe von Quadraten aufweist, das dazu dient, einen Hüllkurvenanteil aus einem Ausgangssignal des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile zu erhalten, indem die Quadratwurzel einer Summe berechnet wird, die aus dem Quadrat eines Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile und dem Quadrat des um 90° phasenverschobenen Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung besteht und ein Mittel zur Entfernung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung der Quadratwurzel einer Summe von Quadraten durch eine Tiefpaßfilter-Verarbeitung aufweist.
Faseroptischer interferometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition ein Mittel zur Berechnung des Differentials mit gleichzeitiger Glättung bei einem Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung einer Hüllkurve durch ein glättendes multinomiales Anpaßverfahren und ein Mittel zur Berechnung einer Nullstelle aufweist, an der das Ausgangssignal des Mittels zur Berechnung des Differentials mit gleichzeitiger Glättung die Null-Linie kreuzt.
Signalverarbeitungssystem eines faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensors mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, das Licht in einer gleichmäßigen Verteilung der optischen Intensität linear gesammelt wird, durch ein Fizeau-Interferometer (23) auf einen linearen Bildsensor (24) ausgestrahlt wird, eine Maximumposition der optischen Intensität bei diesem linearen Bildsensor aus einem Ausgangssignal des linearen Bildsensors erhalten wird, um den gemessenen Zwischenraum zu messen und dieses darüber hinaus ein Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des linearen Bildsensors, ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils und eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils in dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals, ein Mittel zur Phasenverschiebung des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteil um 90°, ein Mittel zur Hüllkurvenberechnung, um eine Hüllkurvenkomponente (S_ENV(n)) des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils und des um 90° phasenverschobenes Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung zu erhalten und ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition umfaßt, das dazu dient, eine erste Ableitung des Ausgangssignals des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve zu bilden, um eine Nullstelle zu erhalten, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt.
Computerlesbares Speichermedium, das ein Programm enthält, bei dessen Ausführung ein Computer als ein Mittel zur Extrahierung eines gewünschten optischen Korrelationssignals aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen eines linearen Bildsensors, ein Mittel zur Entfernung und Verarbeitung eines nicht benötigten hochfrequenten Anteils und eines nicht benötigten niederfrequenten Anteils aus dem Ausgangssignal des Mittels zur Extrahierung des optischen Korrelationssignals, ein Mittel zur Phasenverschiebung des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung nicht benötigter Anteile um 90°, ein Mittel zur Hüllkurvenberechnung, um eine Hüllkurvenkomponente (S_ENV(n)) des Ausgangssignals des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Mittels zur Entfernung und Verarbeitung des nicht benötigten Anteils und des um 90° phasenverschobenes Ausgangssignals des Mittels zur Phasenverschiebung zu erhalten und als ein Mittel zur Berechnung einer Extremwertposition fungieren kann, das dazu dient, eine erste Ableitung des Ausgangssignals des Mittels zur Berechnung der Hüllkurve zu bilden, um eine Nullstelle zu erhalten, an der die Ableitung die Null-Linie kreuzt, und zwar wenn eine Signalverarbeitung an einem faseroptischen interferometrischen Fabry-Perot-Sensor ausgeführt wird mit einem Sensorteil (6) mit einander gegenüberliegenden parallelen Flächen, zwischen denen ein gemessener Zwischenraum liegt, einem teilweise reflektierenden Spiegel oder einer Endfläche einer optischen Faser, an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, und einer Endfläche einer weiteren optischen Faser (5), an der ein teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist, der die andere der beiden einander gegenüberliegenden Flächen bildet, wobei Licht einer schwach kohärentes Licht abstrahlenden Lichtquelle (1) zu dieser weiteren optischen Faser geführt wird, reflektiertes oder transmittiertes Licht, das durch Vielfachreflexion in dem gemessenen Zwischenraum bezüglich seiner optischen Intensität je nach der Wellenlänge und der Größe des gemessenen Zwischenraums unterschiedlich moduliert wird, durch die optische Faser geführt wird, das Licht in einer gleichmäßigen Verteilung der optischen Intensität linear gesammelt wird, durch ein Fizeau-Interferometer (23) auf einen linearen Bildsensor (24) ausgestrahlt wird und eine Maximumposition der optischen Intensität bei diesem linearen Bildsensor aus einem Ausgangssignal des linearen Bildsensors berechnet wird, um den gemessenen Zwischenraum zu messen.