DE102009013795A1 - Measuring device, particularly optical measuring device, for detecting mechanical stress for detecting mechanical stress, has light source designed to emit variable optical primary radiation in wavelength - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung von mechanischen Messgrößen wie beispielsweise Kräften, mechanischen Spannungen, Dehnungen, etc. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Messvorrichtung basierend auf optischen Wellenleitern und ein entsprechendes faseroptisches Messverfahren.The The present invention relates to a measuring device for detection of mechanical parameters such as for example, forces, mechanical stresses, strains, etc. In particular, the concerns The present invention relates to an optical measuring device based on optical waveguides and a corresponding fiber optic measuring method.
In vielen Bereichen der Technik finden faseroptische Sensoren weit verbreitete Anwendung. Vorteile optischer Sensoren liegen u. a. in der nicht-galvanischen Verbindung zwischen Messvorrichtung und Messobjekt, einer hohen Messgeschwindigkeit, einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung und einer Störungsunempfindlichkeit. Von einer Lichtquelle emittierte optische Primärstrahlung wird an einem Sensorelement modifiziert, wobei die modifizierte optische Primärstrahlung als optische Sekundärstrahlung detektierbar und analysierbar ist.In In many fields of technology, fiber optic sensors are far reaching common application. Advantages of optical sensors are u. a. in the non-galvanic connection between measuring device and Measuring object, a high measuring speed, a high spatial and temporal resolution and a noise immunity. Optical primary radiation emitted by a light source is applied to a sensor element modified, wherein the modified optical primary radiation as optical secondary radiation detectable and analyzable.
Derartige Sensoren für mechanische Größen sind zunehmend miniaturisierbar ausgelegt, wobei ferner eine große Anzahl an Sensoren gleichzeitig abgefragt werden. Derartige Multisensorsysteme lassen sich insbesondere durch die Verwendung von Lichtwellenleitern als optisches Ausbreitungsmedium effizient einsetzen.such Sensors for mechanical sizes are increasingly miniaturized designed, and also a large number be queried on sensors at the same time. Let such multi-sensor systems in particular by the use of optical fibers as Use optical propagation medium efficiently.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Zur Erfassung mechanischer Größen wie etwa Dehnungen werden typischerweise Dehnungsmessstreifen eingesetzt, welche auf das zu untersuchende Messobjekt mittels Klebemittel aufgebracht sind. Derartige Dehnungsmessstreifen sind beispielsweise aus Ohmschen Widerstandsmaterialien, aus Halbleitern oder Konstantan-Folien bereitgestellt, wobei sich der von außen messbare elektrische Widerstand derartiger Dehnungsmessstreifen mit der auf den Dehnungsmessstreifen wirkenden mechanischen Dehnung ändert.to Capture of mechanical variables such as Strains are typically used for strain gages, which are applied to the test object to be examined by means of adhesive. Such strain gauges are made of ohms, for example Resistive materials provided by semiconductors or constantan films, being the outside measurable electrical resistance of such strain gauges changes with the mechanical strain acting on the strain gauge.
Ein optisches Äquivalent zu den oben beschriebenen Widerstands-Dehnungsmessstreifen stellen in Lichtwellenleiter eingeprägte bzw. eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter dar. Hierbei wird Licht in einen optischen Wellenleiter bzw. eine Lichtleitfaser eingekoppelt, die an mindestens einer lokalen Stelle ein derartiges Faser-Bragg-Gitter aufweist.One optical equivalent to the resistance strain gauges described above imprinted in optical waveguides or inscribed fiber Bragg gratings. In this case, light is in an optical waveguide or an optical fiber coupled, at at least one local location such a fiber Bragg grating having.
Üblicherweise entsteht ein optischer Interferenz-Effekt in dem Faser-Bragg-Gitter dadurch, dass eine Brechungsindex-Variation des Lichtwellenleiterkerns im Bereich des Faser-Bragg-Gitters periodisch moduliert ist. Eine derartige Periode bzw. Periodenlänge (Modulationslänge) ist abhängig von einer mechanischen Dehnung bzw. mechanischen Spannung der Lichtwellenleiterfaser, beispielsweise entlang ihrer Achse. Wird eine Periodenlänge einer derartigen Brechungsindex-Modulation variiert, wird folglich auch eine Filterfunktion des Faser-Bragg-Gitters verändert.Usually an optical interference effect arises in the fiber Bragg grating in that a refractive index variation of the optical waveguide core in the area of the fiber Bragg grating is periodically modulated. Such period or period length (modulation length) is dependent mechanical strain of the optical fiber, for example, along its axis. Becomes a period length of a such refractive index modulation varies, therefore, also a filter function of the fiber Bragg grating changed.
Aus einem Spektrum des an dem Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts bzw. des durch das Faser-Bragg-Gitter transmittierten Lichts lässt sich auf eine Dehnung der Lichtwellenleiterfaser im Bereich des Faser-Bragg-Gitters rückschließen.Out a spectrum of the light reflected at the fiber Bragg grating or the transmitted through the fiber Bragg grating light can be on an elongation of the optical fiber in the fiber Bragg grating draw conclusions.
Eine derartige spektrale Abtastung am Ausgang der Lichtwellenleiterfaser, d. h. nach einer Reflexion bzw. nach einer Transmission an bzw. durch das Faser-Bragg-Gitter, ist in nachteiliger Weise zeitaufwändig und kompliziert. D. h., eine spektrale Analyse des reflektierten bzw. transmittierten Lichts erfordert entweder eine spektroskopische Anordnung oder eine Abtastung des detektierten Lichts als Funktion der Wellenlänge. Ferner wird an einem Faser-Bragg-Gitter nur ein geringer Teil der einfallenden Lichtleistung reflektiert bzw. wird die einfallende Lichtleistung, im Falle der Transmission, durch das Faser-Bragg-Gitter nur geringfügig verändert.A such spectral sampling at the output of the optical fiber, d. H. after a reflection or after a transmission or through the fiber Bragg grating is disadvantageously time consuming and complicated. D. h., A spectral analysis of the reflected or transmitted light requires either a spectroscopic Arrangement or a scan of the detected light as a function the wavelength. Furthermore, on a fiber Bragg grating only a small part of the incident light power reflects or becomes the incident light power, in the case of transmission, changed only slightly by the fiber Bragg grating.
Hierdurch ergibt sich der Nachteil herkömmlicher, auf Faser-Bragg-Gittern beruhender optischer Messsysteme dadurch, dass eine hohe primäre Lichtleistung bereitgestellt werden muss, wobei nur geringe Intensitätsänderungen in der reflektierten bzw. transmittierten sekundären Lichtleistung detektierbar sind.hereby there is the disadvantage of conventional, on fiber Bragg gratings based optical measuring systems characterized by having a high primary light output must be provided, with only small intensity changes Detectable in the reflected or transmitted secondary light output are.
Wenn zudem mehrere Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlicher Mittenwellenlänge, die entlang einer optischen Faser angeordnet sind, durch eine einzige Primärlichtquelle angesprochen werden sollen, muss diese Primärlichtquelle eine ausreichend gleichmäßige spektrale Intensität über einen breiten Wellenlängenbereich aufweisen. Derartige Lichtquellen sind komplex und damit in nachteiliger Weise teuer.If In addition, several fiber Bragg gratings with different center wavelength, the are arranged along an optical fiber, by a single Primary light source to be addressed, this primary light source must have a sufficiently uniform spectral Intensity over one wide wavelength range exhibit. Such light sources are complex and therefore disadvantageous Way expensive.
Ferner ist die Auswertungsseite äußerst aufwändig, da eine spektrale Analyse des an einem oder mehreren Faser-Bragg-Gittern reflektierten Lichts bzw. des durch diese transmittierten Lichts vorgenommen werden muss. Eine derartige, für herkömmliche faseroptische Sensoren erforderliche spektrale Analyseeinheit führt in nachteiliger Weise zu einem komplexen Messsystem, welches störanfällig ist.Further is the evaluation page extremely expensive because a spectral analysis of the reflected at one or more fiber Bragg gratings Light or the light transmitted through these are made got to. Such, for conventional fiber-optic sensors required spectral analysis unit leads in disadvantageous Way to a complex measuring system, which is prone to failure.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten faseroptischen Sensor zur Messung von Kräften und mechanischen Spannungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Messvorrichtung zur Erfassung einer mechanischen Spannung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The object of the present invention is to provide an improved fiber optic sensor for measuring forces and mechanical stresses. He will do this task According to the invention solved by an optical measuring device for detecting a mechanical stress with the features of claim 1.
Ferner wird die obige Aufgabe durch ein in dem nebengeordneten Patentanspruch 12 angegebenes Verfahren gelöst.Further The above object is achieved by a in the independent claim 12 specified method solved.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further Embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Lichtquelle bereitzustellen, welche ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge rasch variablen optischen Primärstrahlung. Mit einer derartigen optischen Primärstrahlung wird die Filterfunktion des Sensorelements, beispielsweise eines Faser-Bragg-Gitters, mit hoher Geschwindigkeit abgetastet, wobei ein optischer Detektor das an dem Sensorelement reflektierte Primärlicht bzw. das durch das Sensorelement transmittierte Primärlicht detektiert.One The essential idea of the invention is a light source to be provided, which is designed to send a in the wavelength rapidly variable optical primary radiation. With such an optical primary radiation, the filter function the sensor element, for example a fiber Bragg grating, with scanned at high speed, with an optical detector that at the sensor element reflected primary light or through the sensor element transmitted primary light detected.
In vorteilhafter Weise kann der optische Detektor als eine einfache Photodiode ohne spektrale Auflösung des detektierten Wellenlängenbereichs ausgelegt sein. Der optische Detektor ist insbesondere zur Erfassung einer optischen Sekundärstrahlung aus dem Sensorelement in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung ausgelegt.In Advantageously, the optical detector can be used as a simple Photodiode without spectral resolution the detected wavelength range designed be. The optical detector is in particular for detecting a optical secondary radiation from the sensor element in dependence from the irradiated optical primary radiation and the mechanical Voltage designed.
Auf diese Weise können vorteilhaft Kräfte, Momente, mechanische Spannungen, etc. zeitlich hoch aufgelöst erfasst werden. Variationen von beispielsweise einer Lichtquellenintensität oder sonstigen Parametern der optischen Messvorrichtung können durch die schnelle Abtastung eliminiert oder zumindest stark reduziert werden. Ferner können in der Größe und Richtung schnell variierende Kräfte, Dehnungen, Stauchungen, etc. aufgrund der hohen Abtastrate effizient erfasst werden.On this way you can advantageous forces, moments, mechanical stresses, etc. recorded in high temporal resolution become. Variations of, for example, a light source intensity or otherwise Parameters of the optical measuring device can be eliminated by the fast sampling or at least greatly reduced. Further, in size and direction rapidly varying forces, Strains, compressions, etc. due to the high sampling rate efficient be recorded.
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Messvorrichtung zur Erfassung mindestens einer mechanischen Spannung bereit. Die optische Messvorrichtung umfasst eine Lichtquelle, welche ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung, und mindestens ein Sensorelement, das mit der mechanischen Spannung beaufschlagbar ist.The The present invention provides an optical measuring device for detection at least one mechanical tension ready. The optical measuring device comprises a light source which is designed to emit a in the wavelength variable optical primary radiation, and at least one sensor element having the mechanical stress can be acted upon.
Eine optische Übertragungseinrichtung ist ausgelegt zur Übertragung der von der Lichtquelle ausgesandten, in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung zu dem Sensorelement hin. Ein optischer Detektor ist ausgelegt zur Erfassung mindestens einer optischen Sekundärstrahlung aus dem Sensorelement in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung. Eine betriebsmäßig mit dem optischen Detektor verbundene Signalverarbeitungseinrichtung dient zur Bestimmung der mechanischen Spannung aufgrund der detektierten optischen Sekundärstrahlung.A optical transmission device is designed for transmission the emitted from the light source, variable in wavelength optical primary radiation towards the sensor element. An optical detector is designed for Detecting at least one optical secondary radiation from the sensor element dependent on from the irradiated optical primary radiation and the mechanical Tension. One operationally with the signal detector connected to the optical detector is used to determine the mechanical stress due to the detected optical secondary radiation.
Bevorzugt ist der optische Detektor über eine optische Kopplereinheit optisch an die Übertragungseinrichtung gekoppelt. Auf diese Weise ist es möglich, eine von dem Sensorelement reflektierte Sekundärstrahlung effizient zu empfangen.Prefers is the optical detector over an optical coupler unit optically coupled to the transmission device. In this way it is possible to efficiently receive a secondary radiation reflected from the sensor element.
In vorteilhafter Weise umfasst die Lichtquelle, die ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung, einen in der Wellenlänge verstimmbaren Laser.In Advantageously, the light source, which is designed for Emitting one in the wavelength variable optical primary radiation, one in the wavelength tunable laser.
Der in der Wellenlänge verstimmbare Laser ist vorteilhaft als eine monolithisch verstimmbare Laserdiode bereitgestellt. Eine derartige modulierte verstimmbare Laserdiode weist in vorteilhafter Weise ein Reflektor-Steuerelement zur Variation der Wellenlänge in Abhängigkeit von mindestens einem zugeführten Steuerstrom auf.Of the in the wavelength Tunable laser is advantageous as a monolithically tunable Laser diode provided. Such a modulated tunable Laser diode advantageously has a reflector control for the variation of the wavelength dependent on of at least one supplied Control power on.
Ein derartiger Steuerstrom wird durch eine Stromsteuereinheit, die in der optischen Messvorrichtung bereitgestellt ist, erzeugt.One Such control current is provided by a current control unit incorporated in the optical measuring device is provided generates.
Das mit der mindestens einen mechanischen Spannung beaufschlagbare Sensorelement ist vorteilhaft eines aus der Gruppe eines Faser-Bragg-Gitters, eines Fabry-Perot-Interferometers und eines Dünnschicht-Interferometers.The with the at least one mechanical stress acted upon sensor element is advantageously one of the group of a fiber Bragg grating, a Fabry-Perot interferometer and a thin-layer interferometer.
Vorzugsweise ist die optische Übertragungseinrichtung als ein Lichtwellenleiter bereitgestellt. Ein derartiger Lichtwellenleiter kann einen kreisförmigen oder einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Übertragungseinrichtung als eine faseroptische Leitung bereitgestellt.Preferably is the optical transmission device provided as an optical fiber. Such an optical waveguide can be a circular or a non-circular Have cross-section. In a preferred embodiment, the optical transmission device provided as a fiber optic line.
Vorzugsweise ist die optische Übertragungseinrichtung integral mit dem Sensorelement ausgebildet. Das Sensorelement kann auf effiziente Weise in die optische Übertragungseinrichtung mittels UV-Laserstrahlung eingeschrieben werden, derart, dass zur Messung erforderliche Brechungsindex-Variationen im Bereich des Sensorelements bereitgestellt werden.Preferably is the optical transmission device formed integrally with the sensor element. The sensor element can in an efficient manner in the optical transmission device by means of UV laser radiation are written such that refractive index variations required for measurement be provided in the region of the sensor element.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Messvorrichtung ferner einen Referenzdetektor, welcher ausgelegt ist zur Erfassung eines von einer Strahlungsintensität der optischen Primärstrahlung abhängigen Referenzsignals. Auf diese Weise ist es möglich, eine Strahlungsintensität der Primärlichtquelle zu überwachen. Zu diesem Zweck ist eine Referenzsignal-Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt, welche ausgelegt ist zur Verarbeitung des Referenzsignals und zu einer entsprechenden Steuerung der Strahlungsintensität der Primärlichtquelle.According to a further preferred embodiment, the optical measuring device further comprises a reference detector which is designed to detect a reference signal dependent on a radiation intensity of the optical primary radiation. In this way it is possible to monitor a radiation intensity of the primary light source. For this purpose, a reference signal processing is processing device, which is designed for processing the reference signal and for a corresponding control of the radiation intensity of the primary light source.
Bevorzugtermaßen kann die optische Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung umfassen, welche mindestens zwei Sensorelemente aufweist. Die mindestens zwei Sensorelemente weisen in vorteilhafter Weise voneinander verschiedene Wellenlängen-Ansprechbereiche auf, derart, dass von den Sensorelementen ausgehende, reflektierte oder transmittierte Sekundärstrahlung unterscheidbar ist. Die mindestens zwei Sensorelemente sind in vorteilhafter Weise entlang eines einzigen Lichtwellenleiters einprägbar.Preferred dimensions can the optical measuring device comprise a sensor device, which has at least two sensor elements. The at least two sensor elements advantageously have different wavelength response ranges from each other on, such that from the sensor elements outgoing, reflected or transmitted secondary radiation is distinguishable. The at least two sensor elements are more advantageous Way along a single optical fiber einprägbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die optische Messvorrichtung ferner eine Laufzeit-Erfassungseinrichtung zur Bestimmung eines Orts eines Sensorelements entlang der optischen Übertragungseinrichtung bzw. des Lichtwellenleiters auf.According to one further preferred embodiment of the present invention has the optical measuring device further comprises a transit time detection device for determining a location of a sensor element along the optical transmission device or of the optical waveguide.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren zum Messen einer mechanischen Spannung, wobei ein optischer Wellenleiter mit mindestens einem optischen Sensorelement, welches einen Wellenlängen-Ansprechbereich aufweist, bereitgestellt wird. Ferner wird eine optische Primärstrahlung in den optischen Wellenleiter eingestrahlt, wobei das optische Sensorelement mit der mechanischen Spannung beaufschlagt wird. Schließlich wird mindestens eine optische Sekundärstrahlung aus dem optischen Wellenleiter in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung erfasst, wobei die optische Primärstrahlung während des Einstrahlens innerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs in der Wellenlänge variiert wird. Das Verfahren erfasst bevorzugt eine optische Sekundärstrahlung, welche einem Teil der an dem optischen Sensorelement reflektierten optischen Primärstrahlung entspricht.The The present invention further relates to a measuring method for measuring a mechanical stress, wherein an optical waveguide with at least one optical sensor element having a wavelength response range is provided. Furthermore, an optical primary radiation irradiated in the optical waveguide, wherein the optical sensor element is subjected to the mechanical stress. Finally, at least an optical secondary radiation from the optical waveguide depending on the irradiated optical primary radiation and the mechanical stress is detected, the primary optical radiation while of irradiation within the wavelength response range in the wavelength is varied. The method preferably detects an optical secondary radiation, which is a part of the optical reflected on the optical sensor element primary radiation equivalent.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die mindestens eine optische Sekundärstrahlung einem Teil der durch das optische Sensorelement transmittierten optischen Primärstrahlung. Somit lässt sich in vorteilhafter Weise ein Transmissionsspektrum des optischen Sensorelements, welches durch die mechanische Spannung am Sensorelement variiert wird, erfassen.According to one another preferred embodiment the at least one optical secondary radiation corresponds to a part of the optical sensor element transmitted optical primary radiation. Thus lets advantageously a transmission spectrum of the optical Sensor element, which by the mechanical stress on the sensor element varies, capture.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die optische Sekundärstrahlung in der Wellenlänge aufgelöst.In a further preferred embodiment becomes the optical secondary radiation in the wavelength dissolved.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die optische Primärstrahlung über einen Wellenlängen-Abstimmbereich abgestimmt, der größer ist als eine Halbwertsbreite einer Filterfunktion des mindestens einen optischen Sensorelements.In Yet another preferred embodiment, the optical Primary radiation over one Tuned wavelength tuning range, which is bigger as a half width of a filter function of the at least one optical sensor element.
Vorzugsweise erfolgt ein Abstimmen der Wellenlänge der optischen Primärstrahlung über die Halbwertsbreite der Filterfunktion des mindestens einen optischen Sensorelements in einer Zeitdauer in einem Bereich von 10 ns bis 150 ns, vorzugsweise in einem Zeitbereich von 100 ns (Nanosekunden).Preferably Tuning of the wavelength of the optical primary radiation over the half-width the filter function of the at least one optical sensor element in a period of time in a range of 10 ns to 150 ns, preferably in a time range of 100 ns (nanoseconds).
Das mindestens eine optische Sensorelement lässt sich mittels UV-(Ultraviolett-)Laserstrahlung in die optische Übertragungseinrichtung einprägen. Damit ist die optische Übertragungseinrichtung vorzugsweise integral mit einem oder mehreren Sensorelementen ausgebildet.The at least one optical sensor element can be by means of UV (ultraviolet) laser radiation in the optical transmission device memorize. Thus, the optical transmission device is preferred formed integrally with one or more sensor elements.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Sensorelemente seriell mittels der über eine optische Übertragungseinrichtung übertragenen optischen Primärstrahlung angesprochen.Preferably At least two sensor elements are connected in series by means of a via transmitted optical transmission device optical primary radiation addressed.
In vorteilhafter Weise sind die an den mindestens zwei optischen Sensorelementen reflektierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche der mindestens zwei optischen Sensorelemente voneinander unterscheidbar.In Advantageously, the at the at least two optical sensor elements reflected primary optical radiation by means of different wavelength response ranges of at least two optical sensor elements distinguishable from each other.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Messverfahren eine Unterscheidung von durch die mindestens zwei Sensorelemente transmittierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche der mindestens zwei Sensorelemente.According to one another preferred embodiment includes the measuring method according to the invention a distinction from the at least two sensor elements transmitted optical primary radiation by means of different wavelength response ranges of at least two Sensor elements.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die aus den mindestens zwei optischen Sensorelementen emittierten optischen Sekundärstrahlungen mittels unterschiedlicher Laufzeiten zwischen entsprechendem Sensorelement und zugehöriger Sende-/Empfangseinheit von einander unterscheidbar.According to one another preferred embodiment of the present invention are from the at least two optical Sensor elements emitted secondary optical radiation by means of different Running times between corresponding sensor element and associated transmitting / receiving unit distinguishable from each other.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description closer explained.
In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.In In the drawings, like reference characters designate the same or the same function Components or steps.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO PERFORM THE INVENTION
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.in the Below are embodiments of the present invention described in more detail.
Es wird eine Messvorrichtung zur Erfassung mindestens einer mechanischen Spannung bereitgestellt, welche eine Lichtquelle, mindestens ein Sensorelement, eine optische Übertragungseinrichtung und einen optischen Detektor einschließt. Eine von der Lichtquelle ausgesandte optische Primärstrahlung wird während eines Einstrahlens innerhalb eines Wellenlängen-Ansprechbereichs des Sensorelements variiert.It is a measuring device for detecting at least one mechanical Voltage provided, which is a light source, at least one Sensor element, an optical transmission device and includes an optical detector. One from the light source emitted optical primary radiation is during an irradiation within a wavelength response range of the sensor element varied.
In
der in
Die
optische Messvorrichtung
Das
aus den Sensorelementen
Obwohl
dies in
Im
Folgenden wird die Interrogatoreinrichtung
Eine
zentrale Steuereinrichtung
Die
Steuereinrichtung
Die
Interrogatoreinrichtung
Eine derartige Laufzeiterfassung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die optische Primärstrahlung gepulst ist und/oder wenn eine Phasenbeziehung zwischen Lichtwellen von optischer Primärstrahlung und optischer Sekundärstrahlung bestimmbar ist.A Such term acquisition is particularly advantageous if the optical primary radiation is pulsed and / or if a phase relationship between light waves of optical primary radiation and secondary optical radiation is determinable.
Die
optische Übertragungseinrichtung
Eine
als Lichtwellenleiter ausgebildete optische Übertragungseinrichtung
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die optische Übertragungseinrichtung
Das
mindestens eine Sensorelement
Somit
ist der Lichtwellenleiter, der die optische Übertragungseinrichtung
Ist
nun mehr als ein Sensorelement
Ferner
ist es möglich,
obwohl dies in
Auf
diese Weise wird das als Faser-Bragg-Gitter ausgebildete Sensorelement
Das
optische Sensorelement
Wie
in
Ferner
ist es möglich,
dass eine transmittierte Lichtwelle
In
dem Bereich des Sensorelements
Ferner
kann durch die Beaufschlagung des Sensorelements
Wie
anhand der Sensoreinrichtung
Auf
diese Weise lassen sich bestimmte Spektralbereiche entsprechender
Gitter und somit entsprechende Positionen innerhalb des optischen Wellenleiters
einem Sensorort eines individuellen Sensorelements
Es sei hier darauf hingewiesen, dass, obgleich in der vorliegenden Beschreibung von Lichtwellen bzw. optischen Wellen die Rede ist, der Spektralbereich derartiger optischer Strahlung neben dem optisch sichtbaren Bereich auch den nahen und fernen Infrarotbereich sowie den nahen und fernen Ultraviolettbereich umfassen kann.It It should be noted here that, although in the present Description of light waves or optical waves is the speech, the spectral range of such optical radiation next to the optical visible area also the near and far infrared area as well may include the near and far ultraviolet range.
Die
mindestens eine optische Sekundärstrahlung
kann sowohl einem Teil der an dem optischen Sensorelement reflektierten
optischen Primärstrahlung
als auch einem Teil der durch das optische Sensorelement transmittierten
optischen Primärstrahlung
entsprechen. D. h., die transmittierte Lichtwelle
Wenn
mindestens zwei optische Sensorelemente
Ebenso
können
die durch die mindestens zwei optischen Sensorelemente
Wie
in
Einzelne
Abtastpunkte
Während die
Halbwertsbreite
Hierbei
ist nk die effektive Brechzahl des Grundmodus
des Kerns der Lichtfaser und Λ die (räumliche)
Gitterperiode (Modulationsperiode) des Faser-Bragg-Gitters. Die
spektrale Breite, die durch die Halbwertsbreite
Ferner
zeigt
Gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren
wird nunmehr die in den optischen Wellenleiter
Einzelne
Abtastpunkte
In
bestimmten Anwendungsfällen
wird, obwohl dies in den Figuren der vorliegenden Beschreibung nicht
gezeigt ist, auch eine durch eine Faser-Bragg-Gitter transmittierte
Intensität
detektierbar. In diesem Fall würde
bei einem Abtasten der Filterfunktion
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Abtastung der Filterfunktion
Vorzugsweise
weisen die einzelnen, hintereinander angeordneten Sensorelemente
Eine
Abstimmung der Laserlinie
Vorzugsweise
werden die an mindestens zwei optischen Sensorelementen
Wenn
mindestens zwei optische Sensorelemente
Somit
ist es möglich, über eine
einzige Übertragungseinrichtung
Die
Kopplereinheit
Beide
Laserreflektoren weisen jeweils Reflektor-Steuerelemente auf, d. h. der erste
Laserreflektor
Ein
in den entsprechenden Laserreflektoren
Ein
wie in
Die
optische Lichtquelle (Laserlichtquelle)
Wie
bereits unter Bezugnahme auf
Der
optische Detektor
Dieses
Intensitätssignal
wird zu der Steuereinrichtung
Die
Lichtquellen-Betriebsparameter
Insbesondere
ist die in
Der
monolithisch verstimmbare Laser kann einen Satz von diskreten Wellenlängen emittieren, wenn
ein vorher festgelegter Satz von Wellenlängen-Steuerströmen
Um
eine schnelle Abfolge der diskreten Wellenlängen bzw. eine schnelle Wellenlängenvariation zu
erreichen, werden ausreichend schnelle Digital/Analog-Wandlereinrichtungen
in der in
Die
optische Kopplereinheit
Eine
derartige Referenzsignal-Erfassungseinrichtung, wie sie in
Insbesondere
weist die Interrogatoreinrichtung
Wie
in
Über eine
derartige Laufzeit-Erfassungseinrichtung
Die Prozedur startet bei einem Schritt S1 und schreitet fort zu einem Schritt S2, bei dem ein optischer Wellenleiter bereitgestellt wird, der mindestens ein optisches Sensorelement aufweist. Das optische Sensorelement weist einen vorbestimmten und spezifizierbaren Wellenlängen-Abstimmbereich auf.The Procedure starts at a step S1 and proceeds to a Step S2, in which an optical waveguide is provided, having at least one optical sensor element. The optical sensor element has a predetermined and specifiable wavelength tuning range.
In
einem nachfolgenden Schritt S3 wird eine optische Primärstrahlung
in den optischen Wellenleiter eingestrahlt. Die optische Primärstrahlung
erreicht das Sensorelement
Schließlich wird,
in einem nachfolgenden Schritt S5, mindestens eine optische Sekundärstrahlung
aus dem optischen Wellenleiter erfasst. Diese Sekundärstrahlung
hängt im
Wesentlichen ab von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung
und der mechanischen Spannung, die auf das Sensorelement
Die optische Primärstrahlung wird hierbei während des Einstrahlens mindestens innerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs in der Wellenlänge variiert. Anschließend wird die Prozedur in einem Schritt S6 beendet.The optical primary radiation is doing this during of irradiation at least within the wavelength response range varies in wavelength. Subsequently the procedure is ended in a step S6.
Die
Verwendung eines Lasers als eine Lichtquelle
Durch das extrem schnelle Scannen der optischen Primärstrahlung während des Einstrahlens über den Wellenlängen-Ansprechbereich des mindestens einen Sensorelements ergibt sich der Vorteil, dass ein sehr schnell messendes optisches Messsystem realisiert werden kann.By the extremely fast scanning of the primary optical radiation during the Radiating over the wavelength response range the at least one sensor element has the advantage that a very fast measuring optical measuring system can be realized can.
Die
Verwendung einer monolithisch durchstimmbaren Laserdiode als Lichtquelle
Ferner
kann ein äußerst kostengünstiges
optisches Messsystem realisiert werden, da zur Detektion der aus
dem mindestens einen Sensorelement
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Even though the present invention above based on preferred embodiments It is not limited to this, but in many ways modifiable.
Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.Also the invention is not limited to the aforementioned applications limited.
- 100100
- optische Messvorrichtungoptical measuring device
- 101101
- Sendeeinheit/LichtquelleTransmitter unit / light source
- 102102
- Empfangseinheit/DetektorReceiver unit / detector
- 103103
- Steuereinrichtungcontrol device
- 104104
- Eingabe-AusgabeeinheitInput-output unit
- 105105
- InterrogatoreinrichtungInterrogatoreinrichtung
- 106106
- Treibereinrichtungdriving means
- 107107
- SignalverarbeitungseinrichtungSignal processing device
- 108108
- Datenverarbeitungseinheit/PCData processing unit / PC
- 109109
- Referenzdetektorreference detector
- 110110
- Referenzsignal-VerarbeitungseinrichtungReference signal-processing device
- 111111
- StromsteuereinheitCurrent control unit
- 112112
- TreibersteuereinheitDrive controller
- 113113
- Laufzeit-ErfassungseinrichtungRun time detecting means
- 200200
- Übertragungseinrichtungtransmission equipment
- 201201
- Kopplereinheitcoupler
- 300300
- Sensoreinrichtungsensor device
- 301301
- (erstes) Sensorelement(First) sensor element
- 302302
- zweites Sensorelementsecond sensor element
- 303303
- n-tes Sensorelementnth sensor element
- 304304
- optischer Wellenleiteroptical waveguides
- 401401
- Lichtquellen-BetriebsparameterLight sources operating parameters
- 402402
- Wellenlängen-SteuerstromWavelength control current
- 403403
- erster Wellenlängen-Steuerstromfirst Wavelength control current
- 404404
- zweiter Wellenlängen-Steuerstromsecond Wavelength control current
- 405405
- Referenzsignalreference signal
- 406406
- Messsignalmeasuring signal
- 407407
- optische Primärstrahlungoptical primary radiation
- 408408
- optische Sekundärstrahlungoptical secondary radiation
- 409409
- mechanische Spannungmechanical tension
- 410410
- Steuerbefehlcommand
- 501501
- einfallende Lichtwelleincident light wave
- 502502
- reflektierte Lichtwellereflected light wave
- 503503
- transmittierte Lichtwelletransmitted light wave
- 505505
- optische Achseoptical axis
- 600600
- LaserlichtquelleLaser light source
- 601601
- erster Laserreflektorfirst laser reflector
- 602602
- zweiter Laserreflektorsecond laser reflector
- 603603
- aktives Lasermediumactive laser medium
- 604604
- Laserkopplerlaser coupler
- 605605
- LaserlichtaustrittsfensterLaser light emission window
- 606606
- Lasergehäuselaser housing
- 607607
- emittiertes Laserlichtemitted laser light
- 608608
- erstes Reflektor-Steuerelementfirst Reflector control
- 609609
- zweites Reflektor-Steuerelementsecond Reflector control
- 700700
- Filterfunktionfilter function
- 701701
- Wellenlängewavelength
- 702702
- Reflexionsintensitätreflection intensity
- 703703
- MittenwellenlängeCenter wavelength
- 704704
- Halbwertsbreite (FWHM)FWHM (FWHM)
- 705705
- Abtastpunktsampling
- 706706
- Wellenlängen-AnsprechbereichWavelength response range
- 707707
- Abtastrichtungscan
- 708708
- Laserlinielaser line
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-
2009
- 2009-03-18 DE DE200910013795 patent/DE102009013795B4/en active Active
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---|---|
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R081 | Change of applicant/patentee |
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