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Die
Erfindung betrifft ein Fabry-Pérot-Faserinterferometer
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Faseroptische
Sensoren nach dem Fabry-Pérot-Faserinterferometer-Prinzip
werden primär zur
genauen Anzeige meist geringer Verschiebungen als – zumindest
an der Messstelle – kleines
und unkompliziertes Bauteil zur mittelbaren oder unmittelbaren Überwachung
bau- und geophysikalischer Messgrößen verwendet. Hierbei werden
Interferenzen ausgewertet, die bei der Überlagerung von Laserstrahlen
mit ihren durch Reflexion am Messort entstandenen Sekundärstrahlen
gebildet werden. Bei Einsatz von Lichtleitfasern zum gleichzeitigen
Führen des
Primär-
und Sekundärstrahls
ist dieses Messprinzip auch für
lange Wegstrecken und schwer zugängliche
Messstellen einsetzbar. Ein weiterer Vorteil besteht in dem Fehlen
elektrischer Lei tungsverbindungen, so dass galvanisch bzw. elektrostatisch
bedingte Störgrößen z.B.
bei Blitzschlag auch bei großen
Entfernungen zwischen Sensor- und Auswerteeinheit entfallen.
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Als
gravierender Nachteil muss andererseits die Begrenzung der Messstrecke
bei Intervall- bzw. sporadischer Auswertung auf Werte unterhalb
der Wellenlänge
der verwendeten Laserstrahlung betrachtet werden. Größere Weglängen zwingen,
um etwaige Interferenzdurchgänge
durch Wegänderung zu
registrieren, zur zeitlich lückenlosen
Dokumentation des Messsignals.
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Alle
Lösungsansätze zu diesem
Problem machen von der Maßnahme
Gebrauch, mindestens eine weitere Information zu gewinnen oder zu
erzeugen und diese schaltungs- oder
rechentechnisch mit dem ursprünglichen
Interferometersignal zu verknüpfen,
um so zu eindeutigen und möglichst
absoluten Werten zu gelangen. Als absolut messendes Fabry-Pérot-Faserinterferometer
ist das Mehrwellenlängenverfahren
bekannt geworden (H. Schäfer;
Diplomarbeit: Faseroptische Interferometer zur eindeutigen Dehnungsmessung;
Technische Universität
Berlin). Hierbei werden mindestens sechs Laser mit festen zueinander
unterschiedlichen Wellenlängen
verwendet, die über
die Schwebungswellenlänge
die Berechnung absoluter Wegänderungen
zulassen. Ein anderes System verwendet nur drei Laserquellen mit
verschiedenen Wellenlängen,
allerdings zum Preis einer aufwendigen Stabilisierung der Wellenlänge dieser
Laser (M. Schmidt, N. Fürstenau;
Fiber-Optic Extrinsic Fabry-Perot Interferometer Sensors with Tree-Wavelength
Digital Phase Demodulation; Deutsches Institut für Luft- und Raumfahrttechnik).
Ein dritter Lösungsansatz
verwendet eine Weißlichtquelle
in Verbindung mit einem speziellen Fizeau-Interferometer und einer CCD-Zeile
als Detektorelement (Fa. FISO).
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Diese
Lösungsansätze beschränken sich ausschließlich auf
die elektronische und rechentechnische Auswertung, erhöhen aber
gleichzeitig auch den Aufwand an optischen Komponenten.
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In
der älteren,
jedoch nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung
De 103 30 363.4 wird
daher ein Fabry-Pérot-Faserinterferometer
zur Absolutmessung von Verschiebungen mit mindestens einem ersten
Lichtwellenleiter mit einem Ende zur Emission von Messlicht und
zur Aufnahme von reflektiertem Messlicht, und mit einem dem einen
Ende des ersten Lichtwellenleiters gegenüberliegenden ersten reflektierenden
Element, dessen Lage relativ zu dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters
in Richtung von dessen Achse veränderbar
ist, vorgeschlagen, bei dem das erste reflektierende Element derart
verformbar ist, dass es in der Richtung senkrecht zur Achse des
ersten Lichtwellenleiters an mindestens einer Stelle fixiert ist
und an einer anderen Stelle den zu messenden Verschiebungen folgt,
wobei das erste reflektierende Element zwischen der fixierten Stelle und
der verschiebbaren Stelle eine durchgehend reflektierende Oberfläche aufweist,
und dass das eine Ende des ersten Lichtwellenleiters zur Durchführung einer
Messung senkrecht zu seiner Achse über eine zumindest dem Abstand
zwischen der fixierten und der verschiebbaren Stelle entsprechende
Strecke verschiebbar ist. Hierdurch wird bei einem Messvorgang der
gesamte zu messende Verschiebeweg erfasst, so dass insoweit ein
Messergebnis wie bei einer kontinuierlichen Messung erhalten wird.
Daher ist es unbeachtlich, ob sich der Verschiebeweg innerhalb einer
Wellenlänge
befindet oder mehrere Wellenlängen
des Messlichts überspannt.
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Bei
Verwendung mehrer mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbundener
Fabry-Pérot-Faserinterferometer
ergeben sich Probleme hinsichtlich der Identifizierung und Zuweisung
der in der Auswerteeinheit endenden Lichtwellenleiter zu der im
Messstellenplan angegebenen räumlichen
Lage der zugehörigen
Interferometer. Die Lichtwellenleiter werden nach Anbringen der
Interferometer am zu messenden Objekt zu der Auswerteeinheit geführt, wobei
deren Länge
mehrere zehn bis mehrere hundert Meter betragen kann. Eine Zugänglichkeit
zum Interferometer bzw. Lichtwellenleiterende an der Messstelle
ist häufig
nicht mehr gegeben, beispielsweise dann, wenn es in eine Betonstruktur
eines Bauwerks eingebettet wurde.
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Fabry-Pérot-Faserinterferometer
erzeugen als Messsignal ein durch Interferenz von emittiertem und
reflektiertem Licht hervorgerufenes amplitudenveränderliches
optisches Signal, das durch den Lichtwellenleiter zur Auswerteeinheit
gelangt und dort entsprechend verarbeitet wird. Das Messsignal enthält aber
keine Information über
die Identität
und damit die geometrische Lage des jeweiligen Interferometers.
Eine eindeutige fehlerfreie und jederzeit überprüfbare Zuordnung der Interferometer
zu den in der Auswerteeinheit empfangenen optischen Signalen ist
dadurch nicht möglich.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das in der Patentanmeldung
103 30 363.4 vorgeschlagene Fabry-Pérot-Faserinterferometer in der
Weise zu erweitern, dass die Möglichkeit
seiner eindeutigen und zu jedem beliebigen Zeitpunkt durchführbaren
Identifizierung erhalten wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein während
der Verschiebung des einen Endes des mindestens einen ersten Lichtwellenleiters
durch von diesem oder einem synchron mit diesem verschiebbaren zweiten
Lichtwellenleiter emittiertes Licht erfassbares, reflektierendes
Identifikationsmuster vorgesehen ist. Hierdurch kann gleichzeitig
mit einer Verschiebungsmessung auch eine Identifizierung des jeweiligen
Messkopfes/Interferometers durchgeführt werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines absolut messenden Fabry-Pérot-Faserinterferometers,
das in der Patentanmeldung 103 30 363.4 beschrieben ist,
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2 eine
vereinfachte perspektivische Ansicht des Fabry-Pérot-Faserinterferometers
nach 1,
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3 eine
Prinzipdarstellung eines absolut messenden Fabry-Pérot-Faserinterferometers
mit zwei Lichtwellenleitern und zwei reflektierenden Elementen,
das ebenfalls in der Patentanmeldung 103 30 363.4 beschrieben ist
und
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4 eine
vereinfachte perspektivische Ansicht eines Fabry-Pérot-Faserinterferometers
mit einem Identifikationsmuster gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
absolut messende Fabry-Pérot-Faserinterferometer
nach den 1 und 2 weist
einen Lichtwellenleiter 1 auf, der an einer Halterung 2 befestigt
ist, die ausschließlich
senkrecht zur Achse des Lichtwellenleiters 1 bewegbar ist.
Der Lichtwellenleiter 1 ist zumindest über den Bereich zwischen der ausgezogen
dargestellten Lage und der strichliert dargestellten Lage 1' verschiebbar.
Während
eines Messvorgangs emittiert der Lichtwellenleiter 1 an
seiner unteren Stirnfläche
Laserlicht und nimmt über dieselbe
Stirnfläche
reflektiertes Laserlicht auf, so dass Interferenzbilder entstehen,
die zur Bestimmung des Abstands einer reflektierenden Fläche von der
Stirnfläche
verwendet werden können.
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Der
Stirnfläche
des Lichtwellenleiters 1 gegenüber befindet sich ein reflektierendes
Element 3, das bandförmig
ausgebildet und an seinen Querrändern
durch eine Einspannung 4 fixiert ist. Das Element 3 kann
beispielsweise auch kreisförmig
ausgebildet und entlang seines Umfangs eingespannt sein. Es ist
zwischen seinen eingespannten Rändern
verformbar und in der Mitte zwischen diesen Rändern, d.h. an der Stelle 5 mit
einem nicht gezeigten verschiebbaren Gegenstand, dessen Verschiebung
gemessen werden soll, starr gekoppelt. Die Größe der Verschiebung des Gegenstands
kann daher über den
Abstand des reflektierenden Elements 3 an der Stelle 5 von
der Stirnfläche
des Lichtwellenleiters 1 ermittelt werden. Die Verformung
des reflektierenden Elements 3 erfolgt in der Weise, dass
unabhängig vom
Verformungsgrad und unabhängig
von der Lage des Lichtwellenleiters 1 zwischen den beiden
dargestellten Positionen das von der Stirnfläche emittierte Laserlicht stets
zu dieser Stirnfläche
zurück
reflektiert wird.
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Zur
Durchführung
eines Messvorgangs wird der Lichtleiter 1 beispielsweise
aus der strichliert dargestellten Lage in die ausgezogen dargestellte
Lage verschoben. Hierbei erfasst er eine Auslenkung des reflektierenden
Elements 3 um den Weg A. Da der Abstand zwischen der Stirnfläche des
Lichtwellenleiters 1 und dem reflektierenden Element 3 an
der Einspannung 4 zumindest während der Messung konstant
ist, kann der gemessene Weg A direkt zur Bestimmung der Verschiebung
des mit dem Element 3 gekoppelten Gegenstands verwendet
werden. Die Abtastung des reflektierenden Elements 3 erfolgt hierbei
kontinuierlich, wobei alle Interferenzdurchgänge erfasst werden, so dass
der Weg A unabhängig
von seiner Länge,
d.h. unabhängig
davon, ob diese Länge
größer als
eine Wellenlänge
des Laserlichts ist oder nicht, bei jedem Messvorgang eigenständig bestimmt
wird.
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Um
definierte Endpunkte für
einen Messvorgang zu erhalten, weist das Element 3 nur
innerhalb des Bereichs, der sich zwischen den beiden Endstellungen
des Lichtwellenleiters 1 erstreckt, eine reflektierende
Oberfläche 6 auf.
Damit kann sichergestellt werden, dass der Abtastbereich des Lichtwellenleiters 1 für alle Messvorgänge gleich
ist.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Messgenauigkeit und zur Funktionskontrolle des absolut messenden Fabry-Pérot-Faserinterferometers
können
gemäß 3 ein
weiterer Lichtwellenleiter 7 sowie ein mit diesem zusammenwirkendes,
weiteres reflektierendes Element 8 vorgesehen sein. Das
Element 8 ist gegenüber
der Einspannung 4 fixiert und der Lichtwellenleiter 7 ist
synchron mit dem Lichtwellenleiter 1 zwischen der jeweiligen
strichliert und ausgezogen dargestellten Position bewegbar. Die
dem Lichtwellenleiter 7 zugewandte, re flektierende Oberfläche des
Elements 8 verläuft
parallel zur Bewegungsrichtung des Lichtwellenleiters 7 und
ist eben. Das über den
Lichtwellenleiter 7 empfangene Messsignal ermöglicht eine
Kontrolle der Abtastung des reflektierenden Elements 3 durch
den Lichtwellenleiter 1 hinsichtlich etwaiger Abweichungen
in der Kinematik der Abtastbewegung.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
mehrere Lichtwellenleiter 1 senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung
hintereinander anzuordnen und gemeinsam gegenüber dem Element 3 zu
bewegen, so dass dieses entlang mehrerer paralleler Spuren abgetastet wird.
Durch Mittelung bzw. Berücksichtigung
aller so erhaltenen Messergebnisse kann die Messgenauigkeit zusätzlich erhöht werden.
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Das
in 4 wiedergegebene Fabry-Pérot-Faserinterferometer stellt
eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung
des in 1 und 2 gezeigten Fabry-Pérot-Faserinterferometers
dar. Die Weiterentwicklung besteht darin, dass das reflektierende Element 3 zusätzlich zu
der durchgehend reflektierenden Oberfläche 6 ein reflektierendes
Identifikationsmuster 9 beträgt, das bei der periodischen
Abtastbewegung des Lichtwellenleiters 1 ebenfalls von diesem
abgetastet wird. Das Identifikationsmuster 9 besteht aus
Bereichen mit unterschiedlichen Reflexionsvermögen, so dass das von diesem
in den Lichtwellenleiter 1 reflektierte Licht ein entsprechendes optisches
Signal darstellt. Jedem Interferometer ist ein eigenes Identifikationsmuster
zugeordnet, so dass die Auswerteeinheit jedes Interferometer anhand
des empfangenen optischen Signals identifizieren kann.
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Im
Fall von 4 sind die reflektierende Oberfläche 6 und
das Identifikationsmuster 9 in Verschiebungsrichtung des
Lichtwellenleiters 1 hintereinander angeordnet und der
Lichtwellenleiter 1 tastet bei jeder Verschiebung sowohl
die Oberfläche 6 als
auch das Identifikationsmuster 9 ab, so dass bei jedem
Abtastvorgang automatisch der eigentliche Messwert und das Identifikationsmuster
untrennbar miteinander gekoppelt zu der Auswerteeinheit übertragen
werden.
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Das
Identifikationsmuster 9 kann auch seitlich neben der Oberfläche 6 verlaufen
und wird dann durch einen zweiten Lichtwellenleiter, der synchron mit
dem Lichtwellenleiter 1 verschoben wird, abgetastet. Auch
besteht die Möglichkeit,
das Identifikationsmuster 9 in die Oberfläche 6 zu
integrieren, indem diese aus Bereichen mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen besteht.
Weiter kann bei einem Interferometer nach 3 das Identifikationsmuster
auf dem reflektierenden Element 8 angeordnet sein, so dass
es von dem Lichtwellenleiter 7 abgetastet wird.