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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen faseroptischen Drehwinkelsensor
sowie ein Verfahren zur Messung einer Drehung bzw. eines Drehwinkels mit
Hilfe eines faseroptischen Drehwinkelsensors.
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Die
Messung von Drehwinkeln erfolgt üblicherweise
mittels optischen Drehwinkelgebern. Darin dreht sich eine mit Markierungen
versehene Scheibe um einen ruhenden optischen Detektor. Durch Zählen der
Markierungen kann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Eine insbesondere
in der Automatik und Robotik weit verbreitete Methode ist die Messung
von Drehwinkeln mittels Magnetfeldsensoren. Solche Drehwinkelgeber
sind besonders gut geeignet, wenn große Drehwinkel mit beliebig
vielen Umdrehungen zu vermessen sind. Dies ist zum Beispiel bei
Antrieben oder Umdrehungszahlmessern von Interesse. In anderen Anwendungen,
beispielsweise in Robotergelenken, genügt jedoch häufig die Messung von Drehwinkeln
weniger Umdrehungen.
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Ganz
allgemein besteht ferner ein Interesse daran, Drehwinkelsensoren
bereitzustellen, die insbesondere mit einem geringen Aufwand in
z. B. Objekte oder Drehgelenke zu integrieren sind, ein geringes
Gewicht haben und wenig Platzbedarf benötigen. Ferner besteht aufgrund
des vielfältigen
Einsatzgebietes von Drehwinkelsensoren der Bedarf nach speziellen
Sensoren, die für
bestimmte Anwendungen optimiert sind. Dabei geht es neben Integrationsfähigkeit,
Gewicht und Platzbedarf zum Beispiel um mechanische Beanspruchung
und Kompatibilität mit
anwendungsbezogenen Randbedingungen und Umgebungscharakteristika.
So lassen sich beispielsweise Magnetfeldsensoren nicht im Zusammenhang mit
dem Vorkommen hoher Magnetfelder einsetzen. Ein weiterer Nachteil
bekannter Drehwinkelsensoren ist, dass sich mit herkömmlichen
Drehwinkelsensoren in der Regel nur Drehungen bzw. Drehwinkel um eine
zuvor festgelegte Drehachse bestimmen bzw. messen lassen.
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Es
ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Drehwinkelsensor bzw. ein verbessertes Verfahren zur Messung eines Drehwinkels
bereitzustellen, die den oben genannten Problemen Rechnung tragen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Drehwinkelsensor bereit, der
eine Lichtleitfaser mit mindestens zwei Faser-Bragg-Gittern aufweist,
wobei die Lichtleitfaser zumindest im Bereich der zwei Faser-Bragg-Gitter
doppelbrechend ist. Die mindestens zwei Faser-Bragg-Gitter sind
vorzugsweise voneinander beabstandet. Die Faser ist so anzuordnen
bzw. einzusetzen, dass die zu messende Drehung eine Torsion der
Lichtleitfaser zwischen den zwei Faser-Bragg-Gittern bewirkt. Die Idee der vorliegenden Erfindung
beruht insbesondere darauf, den Effekt der Polarisationsrotation
in verdrehten bzw. tordierten Lichtfasern auszunutzen.
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Ein
Faser-Bragg-Gitter stellt eine periodische Modulation der Kernbrechzahl
einer Lichtleitfaser dar. Bei einer durch die Modulationsperiode
und die Brechzahl festgelegte Wellenlänge tritt dadurch ein Maximum
in der Reflexion auf. Da die Lichtleitfaser erfindungsgemäß zumindest
im Bereich der zwei Faser-Bragg-Gitter doppelbrechend ist, unterscheiden
sich die Brechungsindices für
orthogonale Richtungen im Faserquerschnitt. Entsprechend unterscheiden
sich die Wellenlängen,
bei denen Maxima in der Reflexion auftreten, für beide Polarisationsrichtungen.
Dies ermöglicht
die Bestimmung der Polarisationsrichtung in einer Lichtleitfaser
mittels eines doppelbrechenden Faser-Bragg-Gitters.
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Die
Polarisationsrichtung in einer Lichtleitfaser wird durch mechanische
Deformationen beeinflusst. Insbesondere wird die Polarisationsrichtung durch
Torsion der Faser gedreht. Dabei ist der Winkel der Drehung bei
einer nicht doppelbrechenden Faser vorzugsweise allein vom Torsionswinkel
abhängig. Die
Abhängigkeit
ist linear, so dass mit einer Zunahme des Torsionswinkels auch die
Polarisation proportional gedreht wird. Für eine lineare Abhängigkeit
ist allerdings eine doppelbrechungsfreie Übertragung notwendig. Daher
darf die Doppelbrechung nur an den Stellen der Faser-Bragg-Gitter
bestehen und muss an der Stelle der tordierten Faser wieder aufgehoben
sein. Dies kann beispielsweise durch ein Quetschen der Faser von
der Seite erfolgen. Hierdurch wird die Richtung der auf die Faser
aufgebrachten Kraft als Polarisationshauptachsen des Faser-Bragg-Gitters
festgelegt.
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Im
Falle einer doppelbrechenden, polarisationserhaltenden Faser ist
der Zusammenhang zwischen Torsionswinkel und Polarisationsdrehung
nicht notwendigerweise linear. Dennoch ist dieser Zusammenhang auch
für doppelbrechende,
polarisationserhaltende Fasern eindeutig bestimmt und kann dazu verwendet
werden, aus der Polarisationsdrehung auf den Torsionswinkel zurückzuschließen.
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Vorzugsweise
wird eine solche Lichtleitfaser derart montiert, dass die Drehung,
die gemessen werden soll, eine Torsion der Lichtleitfaser zwischen den
beiden Faser-Bragg-Gitter verursacht. Durch eine solche Anordnung
wird in der Lichtleitfaser eine Drehung der Polarisationsrichtung
bewirkt, die in direktem Zusammenhang mit dem Torsionswinkel bzw. dem
Drehwinkel der zu messenden Drehung steht. Misst man demgemäß die Drehung
der Polarisationsrichtung, lassen sich Rückschlüsse auf den zu ermittelnden
Drehwinkel ziehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Lichtleitfaser eine doppelbrechende
Lichtleitfaser. Die für
die Messung der Polarisationsrichtung in den Faser-Bragg-Gittern notwendige
Doppelbrechung ist dann automatisch gegeben. Allerdings ist der
Zusammenhang zwischen Torsionswinkel und Drehwinkel bei dieser Ausführungsform
nicht notwendigerweise linear.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Lichtleitfaser eine doppelbrechende
Lichtleitfaser auf, d. h. die Lichtleitfaser besteht z. B. abschnittsweise
aus einer doppelbrechenden Lichtleitfaser. Es können beispielsweise doppelbrechende
und nicht doppelbrechende Lichtleitfasern stückweise aneinander angebracht
sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Lichtleitfaser nicht doppelbrechend.
Der Drehwinkelsensor weist in diesem Fall vorzugsweise mindestens eine
Einrichtung auf, die die Lichtleitfaser doppelbrechend macht bzw.
dieser doppelbrechende Eigenschaft verleiht. Vorzugsweise ist die
mindestens eine Einrichtung derart ausgebildet, dass die doppelbrechende
Eigenschaft der Faser nur in bestimmten Bereichen, vorzugsweise
im Bereich der Faser-Bragg-Gitter, bewirkt wird. Mit dieser Ausführungsform
ist einerseits gewährleistet,
dass die Lichtleitfaser im Bereich der zwei Faser-Bragg-Gitter doppelbrechend
ist, wobei gleichzeitig der Vorteil eines linearen Zusammenhangs
zwischen Torsionswinkel und Drehung der Polarisation erzielt bzw. beibehalten
wird. Die lokale Bereitstellung eines doppelbrechenden Abschnitts
kann beispielsweise durch Quetschen der Faser erzielt werden. Durch
die auf die Faser aufgebrachte Kraft werden die Richtungen der Polarisationshauptachsen
des Faser-Bragg-Gitters festgelegt.
Die Faser wird beispielsweise durch zwei Platten, zwischen die die
Faser gelegt wird, gequetscht. Typische Kräfte sind mehrere Newton pro mm
Faserlänge,
vorzugsweise 1 bis 9 N/mm.
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Es
ist ferner bevorzugt, dass der Drehwinkelsensor eine Lichtquelle
und mindestens einen Lichtdetektor aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Lichtquelle eine polarisierte Breitbandlichtquelle, vorzugsweise
eine Superlumineszenzdiode. Weitere bevorzugte Lichtquellen sind
Faser – Amplified
Spontaneous Emission Source (ASE) oder Leuchtdioden (LED). Der mindestens
eine Lichtdetektor ist bevorzugt eine Fotodiode, z. B. eine „avalanche
photodiode”.
Alternativ und/oder zusätzlich kann
der Lichtdetektor ein Spekrometer aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann der
Drehwinkelsensor ferner mindestens einen Bandkantenfilter aufweisen.
Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Drehwinkelsensor 2 Lichtdetektoren
mit jeweils zwei vorgeschalteten Bandkantenfilter aufweist, wobei
die Filterkanten der Bandkantenfilter jeweils bei den Reflexionswellenlängen der
Faser-Bragg-Gitter liegen. Hierdurch kann vorzugsweise die Schwerpunktwellenlänge des
reflektierten Lichts ermittelt werden.
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Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
wird das an den beiden Faser-Bragg-Gittern reflektierte Licht auf
zwei Pfade aufgeteilt. In jedem Pfad wird das reflektierte Licht
mittels eines Bandkantenfilters gefiltert und von einem Fotodetektor
detektiert. Da die Bandkantenfilter so gewählt sind, dass sie den Wellenlängen maximaler
Reflexion für beide
Polarisationsrichtungen der Faser-Bragg-Gitter entsprechen, lässt sich
so die Intensität
beider Polarisationsrichtungen getrennt voneinander messen. Aus
dem Verhältnis
der beiden Intensitäten
lässt sich auf
die Polarisationsrichtung innerhalb der Lichtleitfaser rückschließen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der Drehwinkelsensor ferner eine Einrichtung zur Rotation
der Polarisation des von der Lichtquelle emittierten Lichtes auf.
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Erfindungsgemäß ist der
Drehwinkelsensor dazu geeignet, so montiert zu werden, dass die
zu messende Drehung zwischen den beiden Faser-Bragg-Gittern erfolgt
bzw. dass die zu messende Drehung eine Torsion der Lichtleitfaser
zwischen den beiden Faser-Bragg-Gittern bewirkt. Hierzu wird beispielsweise
die Faser an der ersten Sensorstelle und an der zweiten Sensorstelle
fest verbunden, vorzugsweise verklebt. Die dazwischenliegende Faser
wird so durch relative Bewegung der Sensorstellen zueinander tordiert,
so dass die Torsion gemessen werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung
einer Drehung, wobei die Drehung eine Torsion einer Lichtleitfaser
zwischen mindestens zwei in dieser angebrachten Faser-Bragg-Gittern
bewirkt, wobei die Lichtleitfaser zumindest im Bereich der Faser-Bragg-Gitter
doppelbrechend ist. Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte
auf: Einkoppeln von polarisiertem Licht in die Faser, Detektieren
des an den Faser-Bragg-Gittern reflektierten Lichts und Ermitteln mindestens
eines Drehwinkels aus den in dem reflektierten Licht enthaltenen
Informationen.
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Dabei
ist es bevorzugt, dass das Detektieren des an den Faser-Bragg-Gittern
reflektierten Lichts das Detektieren der Intensität zweier
unterschiedlicher Wellenlängen
aufweist. Bevorzugt weist das Verfahren ferner das Ermitteln einer
Schwerpunktwellenlänge
aus den Intensitäten
der zwei Wellenlängen
auf. Wie bereits oben dargestellt, beeinflusst eine Torsion der
Lichtleitfaser zwischen den zwei Faser-Bragg-Gittern das Verhältnis der
Intensitäten
bei denjenigen Wellenlängen,
die den Maxima der Reflexion der Faser-Bragg-Gitter für die zwei
Hauptachsen der Polarisation entsprechen. Wird die Intensität bei diesen
zwei Wellenlängen
detektiert und entsprechend eine Schwerpunktwellenlänge ermittelt,
verschiebt sich die Schwerpunktewellenlänge mit der Torsion der Lichtleitfaser,
das heißt
mit der zu messenden Drehung. Somit lässt sich unter Zuhilfenahme
der Schwerpunktwellenlänge
der Drehwinkel der zu messenden Drehung messen bzw. bestimmen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Polarisationsachse des eingekoppelten
Lichts kontinuierlich gedreht. Die Drehung der Polarisationsachse
erfolgt hierbei vorzugsweise in einem Frequenzbereich zwischen mehreren
Hz und mehreren GHz.
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Dadurch
werden alle möglichen
Polarisationszustände
in rascher Folge durchlaufen. Das von den Faser-Bragg-Gittern reflektierte
Licht besitzt entsprechend unterschiedlicher Eingangspolarisation unterschiedliche
Wellenlängenschwerpunkte.
Aus der Phasendifferenz der beiden modulierten Signale bei den entsprechenden
Wellenlängen
lässt sich
somit auf den Drehwinkel zurück
schließen.
Da die Phasendifferenz unabhängig
von der Intensität
bzw. dem Wellenlängenhub
des Signals bestimmt werden kann, ist die Auswertung entsprechend
dieser Ausführungsform äußerst robust.
Das macht die Auswertung störsicher
und unabhängig
von Drifteffekten wie zum Beispiel einer Temperaturänderung
oder einer Schwankung der Leistung der Lichtquelle.
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Der
Drehwinkelsensor bzw. das Verfahren der vorliegenden Erfindung sind
in vielerlei Hinsicht vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik.
Zum einen lässt
sich die Erfassung von Drehwinkeln, beispielsweise in Robotergelenken,
miniaturisieren und vereinfachen. Das Faserstück zwischen den beiden Faser-Bragg-Gittern
kann eine beliebige Länge
haben. Da eine 1 cm lange Faser mit mehreren Drehungen tordiert
werden kann, ohne zu brechen, können mit
einem solchen 2 cm langen Sensor (Faser + Gitter) Torsionswinkel
von mehreren Umdrehungen gemessen werden. Die Integration erfolgt
beispielsweise durch Ankleben der Faser-Bragg-Gitter mit Faserquetschern
an die beiden Seiten des Gelenkes. Die Faserquetscher können dabei
sehr klein ausgeführt werden
und beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweisen.
Wird auf die Faserquetscher verzichtet, muss zum Messen lediglich
eine nur etwa 1 mm dünne
Faser angebracht werden.
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Ein
weiterer Vorteil des Erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors bzw.
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, das keine vorbestimmte Drehachse festgelegt werden muss. So
lässt sich
beispielsweise der Drehwinkel in einem Robotergelenk erfassen, in dem
eine Faser mit den notwendigen Datenkabeln und der elektrischen
Stromversorgung, die durch das Gelenk geführt werden, verlegt wird. Ein
gesonderter Drehwinkelgeber, der zentrisch um die Achse montiert
werden müsste,
wäre dadurch
ersetzbar. Darüber
hinaus besteht bei der Glasfasersensorik der Vorteil der elektromagnetischen
Verträglichkeit.
Entsprechend könnte
der Drehwinkelsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Beispiel in Kernspintomographen eingesetzt werden.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors;
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2 das
Reflexionsspektrum einer doppelbrechenden Lichtleitfaser;
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3 die
Schwerpunktswellenlänge
in Abhängigkeit
vom Torsionswinkel einer Lichtleitfaser; und
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4 eine
schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors.
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In 1 ist
ein schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors dargestellt. Der
Drehwinkelsensor weist eine nicht doppelbrechende Lichtleitfaser 1 auf,
in der zwei Faser-Bragg-Gitter 2 vorgesehen sind. Da die
Lichtleitfaser nicht doppelbrechend ist, muss erfindungsgemäß in den
Bereichen der Faser-Bragg-Gitter 2 jeweils ein doppelbrechender
Abschnitt bereitgestellt werden. Dies kann, wie in 1 dargestellt,
mittels zweier Faserquetscher 3 geschehen. In dem die Faserquetscher 3 eine
Querkraft auf die Lichtleitfaser 1 ausüben, erzeugen sie in den bereichen
der Fasergitter 2 eine Doppelbrechung.
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Erfindungsgemäß soll der
Drehwinkelsensor derart montiert bzw. angeordnet werden, dass die
zu messende Drehung eine Torsion der Lichtleitfaser 1 zwischen
den beiden Faser-Bragg-Gittern 2 bewirkt. Mit
anderen Worten soll durch die Drehung die Lichtleitfaser im Bereich
des zweiten Faser-Bragg-Gitters zusammen mit dem Faserquetscher 3 gegenüber dem
ersten Faser-Bragg-Gitter und dem ersten Faserquetscher um einen
Drehwinkel θ wie
dargestellt gedreht werden. Hierdurch dreht sich die Polarisationsrichtung
um einen Winkel, der gemessen werden kann. Aus diesem Winkel lässt sich
dann der Drehwinkel θ berechnen.
Licht, das in das proximale Ende 4 der Lichtleitfaser 1 eingekoppelt
wird, wird an den beiden Faser-Bragg-Gittern 2 reflektiert.
Aufgrund der durch die Faserquetscher 3 aufgebrachten Querkraft
ist die Lichtleitfaser 1 im Bereich der Faser-Bragg-Gitter 2 doppelbrechend.
Das bedeutet, dass der Brechungsindex in diesen Bereichen von der
Polarisationsrichtung des Lichts abhängt. Wird polarisiertes Licht
in den Lichtleiter eingeleitet, erhält man ein Reflexionsspektrum ähnlich des
in 2 dargestellten. Die Faser-Bragg-Gitter 2 erzeugen
für jede
Polarisationshauptachse, das heißt für die entsprechenden Brechungsindices,
ein Maximum in der Intensität
des reflektierten Lichts. Diese beiden Maxima sind in 2 deutlich
zu erkennen. Die Intensitäten
der beiden Maxima hängen
von der Polarisation des eingestrahlten Lichts ab.
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2 zeigt
ein Spektrum einer doppelbrechenden Lichtleitfaser mit eingeschriebenem
Faser-Bragg-Gitter.
Zu sehen sind zwei Reflexionspeaks, die den beiden Polarisationsrichtungen
in der Faser entsprechen. Da das eingestrahlte Licht polarisiert
istm ist ein Reflexionspeak höher
als der andere. Dreht sich die Polarisation, kann dies über das
Intensitätsverhältnis der
beiden Peaks detektiert werden.
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Wird
beispielsweise die in 1 dargestellte Lichtleitfaser
zwischen den beiden Faser-Bragg-Gittern
tordiert, bewirkt dies eine Rotation der Polarisationsrichtung.
Entsprechend werden die Intensitätsmaxima
des in 2 dargestellten Spektrums beeinflusst. Das heißt, das
Verhältnis
der Intensitäten
bei den Wellenlängen,
die den Reflexionsmaxima des Faser-Bragg-Gitters entsprechen, hängt vom
Torsionswinkel der Lichtleitfaser und somit vom Drehwinkel θ ab. Bildet
man aus den beiden Intensitätsmaxima
der 2 eine Schwerpunktwellenlänge, so wird konsequenterweise
die Schwerpunktwellenlänge ebenfalls
vom Drehwinkel θ beeinflusst.
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Die
Abhängigkeit
der Schwerpunktwellenlänge
vom Torsions- bzw. Drehwinkel θ ist
in 3 dargestellt. Die halbe Periode der Sinusschwingung
beträgt
in 3 193°,
was eine Abweichung zur theoretischen Vorhersage von weniger als
1% bedeutet. Entsprechend lässt
sich mit hoher Genauigkeit von der Schwerpunkwellenlänge auf
den Drehwinkel θ zurück schließen.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, kann auf die beiden Faserquetscher 3, die in 1 dargestellt
sind, verzichtet werden, wenn eine durchgehend doppelbrechende Lichtleitfaser 1 gewählt wird.
Allerdings ist dann der Zusammenhang zwischen Drehung der Polarisation
und Drehwinkel θ nicht
mehr linear. Dennoch ist dieser Zusammenhang eindeutig definiert und
lässt sich
ebenso für
eine Messung des Drehwinkels θ verwenden.
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In 4 ist
ein schematischer Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors dargestellt.
Das Licht einer breitbandigen Lichtquelle, zum Beispiel einer Superlumineszenzdiode 5,
wird durch einen Polarisationsrotor 6 in seiner Polarisation
gedreht. Die Drehung der Polarisationsachse geschieht kontinuierlich
mit einer festgelegten Frequenz. Von dort wird das Licht über einen
Faserkoppler 7 in die Lichtleitfaser 1 eingekoppelt,
die zwei Faser-Bragg-Gitter 2 aufweist. Wie bereits beschrieben bewirkt
eine zu messende Drehung eine mechanische Torsion innerhalb der
Lichtleitfaser 1 zwischen den zwei Faser-Bragg-Gittern 2.
Das an den beiden Faser-Bragg-Gittern 2 (Sensor 1 und
Sensor 2) reflektierte Licht wird von dem Faserkoppler 7 abgenommen.
Mittels eines weiteren Faserkopplers 8 wird das Licht in
zwei Pfade aufgeteilt. In jedem Pfad durchlauft das Licht einen
Bandkantenfilter 9a bzw. 9b und trifft dann auf
einen Fotodetektor 10a bzw. 10b. Die Filterkante
der beiden Bandkantenfilter 9a und 9b liegt dabei
bei den Wellenlängen,
bei denen die Reflexionsmaxima der Faser-Bragg-Gitter 2 für die beiden
Polarisationshauptachsen auftreten. Mit anderen Worten wird in dem
einen Pfad das eine Maximum der beiden Reflexionsmaxima der 2 gemessen
wohingegen im anderen Pfad das andere Maximum gemessen wird. Aus
den gemessenen Intensitäten
in beiden Pfaden lässt
sich dann eine Schwerpunktwellenlinie bestimmen. Diese lasst, wie bereits
ausführlich
beschrieben, Rückschlüsse auf den
ursprünglichen
Drehwinkel θ zu.
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Aufgrund
der Rotation der Polarisationsachse des eingekoppelten Lichtes mit
Hilfe des Polarisationsrotors 6 werden die in den Detektoren 10a und 10b gemessenen
Intensitäten
mit der Frequenz des Polarisationsrotors 6 moduliert. Eine
mechanische Torsion der Lichtleitfaser 1 zwischen den beiden
Faser-Bragg-Gittern 2 bewirkt dabei eine Phasenverschiebung
zwischen diesen beiden modulierten Signalen. Entsprechend lässt sich
aus der Phasenverschiebung auf den ursprünglichen Drehwinkel θ zurück schließen.