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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Kraft- und/oder Momentenmessung, ein Verfahren zur Kraft- und/oder Momentenmessung sowie ein System zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt, beispielsweise an einem Gerät für minimal-invasive Chirurgie.
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Bei Sensoren zur Kraft- und/oder Momentenmessung ist beispielsweise der Einsatz von Faser-Bragg-Gitter (FBG) bekannt. Dabei wird über das von den Faser-Bragg-Gittern reflektierte Licht die Dehnung des Faser-Bragg-Gitters und somit die Dehnung des Objektes, auf dem der Sensor angeordnet ist, bestimmt. Über die Dehnung kann dann eine Kraft und/oder ein Moment, das auf das Objekt einwirkt, bestimmt werden.
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Bei derartigen Messungen ist das Messergebnis jedoch stark von der Temperatur abhängig, da sich das Objekt und somit das Faser-Bragg-Gitter in Abhängigkeit von der Temperatur und abhängig von der einwirkenden Kraft oder dem einwirkenden Moment dehnt und sich auch das Reflexionsverhalten des Faser-Bragg-Gitters aufgrund der thermo-optischen Koeffizienten der Faser, in die das Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, ändert. Aus der gemessenen Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters kann nachträglich nicht ermittelt werden, welcher Anteil aus der Temperaturänderung und welcher Anteil aus der Dehnungsänderung resultiert.
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Eine bekannte Möglichkeit zur Kompensation besteht darin, beispielsweise über ein weiteres Faser-Bragg-Gitter, die Temperatur an einer Stelle des Objektes mit einem Sensor zu messen und rechnerisch den Anteil der Temperaturänderung aus dem Sensorsignal zu kompensieren. Dabei muss allerdings das zusätzliche Faser-Bragg-Gitter dehnungsisoliert angebracht werden. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass von einer gleichmäßigen Temperatur über den gesamten Sensorkörper ausgegangen wird. Wird ein derartiger Sensor beispielsweise an einem minimal-invasiven Instrument in der Chirurgie eingesetzt, kann nicht von einer bestimmten Temperatur des gesamten Sensors ausgegangen werden, da zum Beispiel Spüllösungen oder der Kontakt mit Organen zu einer inhomogenen Temperaturverteilung des Instrumentes führen können. Der Einsatz von mehreren Messstellen zur Temperaturmessung ist jedoch häufig aus Platzgründen schlecht oder nicht möglich, wobei auch durch zusätzliche Temperatursensoren die gesamte Sensorcharakteristik verändert werden kann. Aus
DE 19962668 C1 ist es bekannt einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor als Temperatursensor in einen Diagnosesystem für ein elektrisches Gerät einzusetzen.
DE 10011790 A1 beschreibt ein minimal-intensives Instrument, bei dem mittels Faser-Bragg-Gittern eine Positionsbestimmung erfolgt.
DE 69610129 T2 offenbart einen Sensor mit photoinduzierten Bragg-Gitter, der ein großes Signal-Rauchverhältnis besitzt.
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Die Anmelderin hat einen Sensor zur Kraft- und/oder Momentenmessung entwickelt, bei dem in eine Singlemode-Faser ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist. Darüber hinaus ist das Material der Singlemode-Faser mit einem fluoreszierenden Material dotiert. Das Faser-Bragg-Gitter wird nun mit einem breitbandigen Licht beleuchtet und die Peakwellenlänge des Reflexionslichtes erfasst. Die Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung ist dabei unterschiedlich zu dem Wellenlängenbereich der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters. Beispielsweise über die Fluoreszenzlebensdauer der Fluoreszenzstrahlung und die Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters kann die Dehnung des Objektes ohne Temperatureinflüsse bestimmt werden.
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Derartige Sensoren müssen jedoch eine bestimmte Länge aufweisen, da die Anzahl der zur Fluoreszenz angeregten Atome aufgrund des sehr kleinen Durchmessers des Kerns der Singlemode-Fasern begrenzt ist und somit nur sehr wenig Fluoreszenzstrahlung zurückgestrahlt wird. Dabei kann die Lichtmenge der Fluoreszenzstrahlung so gering sein, dass der Signal-Rausch-Abstand keine ausreichend genaue Kompensation zulässt. Häufig lassen die Randbedingungen auch eine Verlängerung der Messstelle und somit eine Vergrößerung des Bereiches, in denen das fluoreszierende Material eingebracht ist, nicht zu. Eine stärkere Dotierung des Glasfasermaterials kann häufig auch nicht erfolgen, da zum einen die Eigenschaften der Glasmischung durch die Dotierung verändert werden können und darüber hinaus bei manchen fluoreszierenden Dotierstoffen die Dotieratome bei hohen Konzentrationen sich gegenseitig stark beeinflussen, was sich nachteilig auf die Messung auswirken kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor, ein Verfahren und ein System zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt zu schaffen, bei denen Temperatureinflüsse zumindest weitestgehend kompensiert sind, wobei der Sensor, insbesondere in Bezug auf seine Länge, nur einen sehr geringen Platzbedarf haben soll.
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Zur Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1, 8 und 11.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Sensor zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt mit mindestens einem Sensorelement zur Erfassung einer Dehnung des Objektes in mindestens eine Raumrichtung, aus der eine Kraft oder ein Moment bestimmbar ist, wobei das Sensorelement eine Lichtleitfaser mit einem Sensorbereich aufweist, in dem ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist und das Faser-Bragg-Gitter mit einem vorzugsweise breitbandigen Licht zur Erzeugung eines Reflexionslichtes mit einer Peakwellenlänge beleuchtbar ist, vorgesehen, dass die Lichtleitfaser aus einem Faserkern und mindestens einem den Faserkern umgebenden Mantel aus lichtleitendem Material besteht und dass das Faser-Bragg-Gitter in den Faserkern eingebracht ist, wobei das Material des Mantels mit einem fluoreszierenden Material dotiert ist und das fluoreszierende Material mit einer Anregungsstrahlung bestrahlbar ist zur Erzeugung einer Fluoreszenzstrahlung mit mindestens einer Hauptemissionswellenlänge.
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Ein derartiger Sensor hat den Vorteil, dass das Volumen des Materials das den Faserkern umgebenden Mantel im Vergleich zu dem Faserkern gleicher Länge wesentlich größer ist, so dass die Menge an fluoreszierenden Material im Vergleich zu einer Singlemode-Faser gleichen Länge wesentlich größer ist. Die Lichtmenge an Fluoreszenzstrahlung, die von dem erfindungsgemäßen Sensorelement erzeugt wird, ist somit zumeist ausreichend, um das Signal-Rauschen zu verringern und eine genaue Messung zuzulassen. Die Anregungsstrahlung zur Erzeugung der Fluoreszenzstrahlung kann bei einem derartigen Sensorelement mit Laserdioden erzeugt werden, deren Strahlung aus Multimode-Fasern emittiert wird. Derartige Laserdioden besitzen gegenüber Laserdioden, die mit Singlemode-Fasern gekoppelt sind, eine deutlich höhere Ausgangsleistung in der Faser, wodurch das Messsignal stärker ausgebildet ist. Darüber hinaus sind Laserdioden, deren Strahlung aus einer Multimode-Faser emittiert wird, deutlich günstiger in der Beschaffung als Laserdioden, die an Singlemode-Fasern gekoppelt sind.
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Durch die Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters lässt sich die Dehnung des Faser-Bragg-Gitters bzw. des Objektes, an dem der Sensor und somit das Faser-Bragg-Gitter angeordnet ist, bestimmen, wobei die Dehnung aus einem Dehnungsanteil besteht, der durch die auf das Objekt einwirkende Kraft bzw. das auf das Objekt einwirkende Moment hervorgerufen ist und einem Dehnungsanteil, der durch die Temperatur des Objektes entsteht. Ferner wird durch die Temperatur auch der thermo-optische Koeffizient des Faserkerns und somit die Peakwellenlänge des Reflexionslichtes beeinflusst.
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Über die Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Material lässt sich, beispielsweise über die Fluoreszenzlebensdauer, ein Signal, das von der Dehnung und der Temperatur der Lichtleitfaser und somit des Objektes abhängig ist, bestimmen. Durch das Vorsehen von zwei Messmethoden, dessen Ergebnis sowohl die Dehnung des Objektes als auch die Temperatur des Objektes beinhalten, lässt sich eine Dehnung des Objektes berechnen, bei der die Temperatureinflüsse kompensiert sind. Somit ist die Dehnung des Objektes bestimmbar, die allein durch den Kraft- und/oder Momenteneinfluss auf das Objekt hervorgerufen wird.
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Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht dieses Verfahren, da mit diesem sowohl die Peakwellenlänge eines Reflexionslichtes eines Faser-Bragg-Gitters als auch eine messbare Fluoreszenzstrahlung mit Hauptemissionswellenlänge erzeugbar ist. Dabei ist der Sensor sehr kompakt ausgeführt, da das fluoreszierende Material in der Lichtleitfaser, in deren Faserkern das Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist, angeordnet ist. Der Platzbedarf des Sensors ist somit in der Längenausdehnung nicht größer als der Platzbedarf eines herkömmlichen Sensors, der auf Faser-Bragg-Gittern beruht, wobei jedoch eine Temperaturkompensation der Messdaten möglich ist. Der Sensor kann ferner auch nur von geringer Länge sein, da der Mantel ausreichend Volumen für das fluoreszierende Material bereitstellt.
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Der erfindungsgemäße Sensor ist somit auch für sehr kurze Messstellen geeignet.
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Um den mindestens einen Mantel kann ein weiterer Mantel aus lichtleitendem Material oder eine andere Beschichtung angeordnet sein, wodurch gewährleitstet werden kann, dass die in den Mantel eingeleitete Strahlung in dem Mantel verbleibt bzw. durch diesen geleitet wird.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material des Faserkerns mit einem fluoreszierenden Material dotiert ist, vorzugsweise mit dem gleichen fluoreszierenden Material wie der Mantel, wobei das fluoreszierende Material des Faserkerns eine Anregungsstrahlung und eine Fluoreszenzstrahlung mit Hauptemissionswellenlängen in Wellenlängenbereichen besitzt, die unterschiedlich von dem Wellenlängenbereich der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters sind.
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Durch die zusätzliche Dotierung des Faserkerns kann das Volumen des Bereichs der Lichtleitfaser, das mit fluoreszierendem Material dotiert ist, vergrößert werden, so dass die Signalqualität der Fluoreszenzstrahlung verbessert wird. Durch das Vorsehen eines fluoreszierenden Materials im Faserkern, dessen Anregungsstrahlung und Fluoreszenzstrahlung Hauptemissionswellenlängen in Wellenlängenbereichen besitzt, die unterschiedlich von dem Wellenlängenbereich der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters sind, kann gewährleistet werden, dass die unterschiedlichen Signale des Faser-Bragg-Gitters und des fluoreszierenden Materials deutlich unterschieden werden können.
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Das fluoreszierende Material kann beispielsweise ein Seltenerdmetall, vorzugsweise Ytterbium und/oder Erbium sein. Dieses Material hat sich in Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt. Beispielsweise kann Ytterbium zur Fluoreszenz bei einer Wellenlänge von 980 nm angeregt werden und die Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung liegt in einem Bereich um 1040 nm liegt. Dieses Material kann daher zur Dotierung des Faserkerns verwendet werden, wenn ein Faser-Bragg-Gitter verwendet wird, das im Bereich von 1520 nm–1560 nm Peakwellenlängen besitzt.
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Der Wellenlängenbereich der Anregungsstrahlung kann somit im Bereich um 980 nm und der Wellenlängenbereich der Hauptemissionswellenlänge um 1040 nm liegen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, ein anderes fluoreszierendes Material, wie beispielsweise Chrom, zu verwenden.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faserkern polarisationserhaltene Eigenschaften aufweist und jedes Sensorelement die Dehnung des Objektes in zwei Raumrichtungen erfasst, wobei die Dehnung des Objektes in die zwei Raumrichtungen über die schnelle Achse des polarisationserhaltenen Faserkerns und die langsamen Achse des polarisationserhaltenen Faserkerns ermittelbar ist. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Sensor besonders klein gehalten werden, da mit einem Sensorelement zwei Dehnungswerte ermittelt werden können. Für einen Sensor, der beispielsweise sechs Dehnungen des Objektes zur Bestimmung von Kräften und Momenten in jeweils drei Raumrichtungen erfassen kann, können beispielsweise nur drei Sensorelemente vorgesehen sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mehrere Sensorelemente zur Bestimmung der Dehnungen vorgesehen sind. Dadurch ist ein Sensor von besonders geringen Abmaßen möglich.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Faserkern eine doppelbrechende Faser ist. Eine derartige Faser ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Polarisationserhaltung des eintretenden Lichtes.
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In einem Sensor, der mehrere Sensorelemente besitzt, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Sensorbereiche jedes Sensorelementes jeweils mit einem fluoreszierenden Material dotiert sind, das von dem fluoreszierenden Material der Sensorbereiche der anderen Sensorelemente unterschiedlich ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass für jeden einzelnen Sensorbereich Messwerte aus der Fluoreszenzstrahlung erhalten werden, da aufgrund des unterschiedlichen fluoreszierenden Material unterschiedliche Hauptemissionswellenlängen der Fluoreszenzstrahlung vorliegen, sodass diese gut voneinander unterschieden und somit einzelnen Sensorelementen zugeordnet werden können.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Sensorbereiche von mehreren Sensorelementen mit dem gleichen fluoreszierenden Material dotiert sind.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das fluoreszierende Material jedes Sensorelementes eines erfindungsgemäßen Sensors eine Anregungsstrahlung und eine Fluoreszenzstrahlung mit Hauptemissionswellenlängen in Wellenlängenbereichen besitzt, die unterschiedlich von dem Wellenlängenbereich der Peakwellenlängen des Reflexionslichtes aller Faser-Bragg-Gitter sind. Dadurch kann das Signal der Fluoreszenzstrahlung in vorteilhafter Weise von den Signalen der Faser-Bragg-Gitter unterschieden werden.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faserkern einen Durchmesser zwischen 4 und 11 μm und das der den Faserkern umgebenden Mantel einen Durchmesser zwischen 80 und 125 μm, vorzugsweise 105 μm, aufweist. Derartige Abmessungen der Lichtleitfaser haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Der eine derartige Lichtleitfaser aufweisende Sensor kann sehr klein ausgestaltet werden, wobei der Faserkern mit einem Durchmesser zwischen 4 und 11 μm eine Einbringung eines Faser-Bragg-Gitters ermöglicht. Der Mantel, der zwischen 80 und 125 μm Durchmesser besitzt, weist ein Volumen auf, das eine ausreichende Menge von Dotierungsmaterial aufnehmen kann, um die erfindungsgemäße Funktion zu gewährleisten.
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Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt vor, wobei die Dehnung des Objektes über eine Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter bestimmt und über die Dehnung des Objektes die Kraft und/oder das Moment bestimmt wird, wobei das Faser-Bragg-Gitter mit einem vorzugsweise breitbandigem Licht beleuchtet wird und eine Peakwellenlänge eines Reflexionslichtes erfasst wird. Die Lichtleitfaser besteht aus einem Faserkern und einem dem Faserkern umgebenden Mantel aus lichtleitendem Material. Das Faser-Bragg-Gitter ist in den Kern eingebracht und das Material des Mantels ist mit fluoreszierendem Material dotiert. Das fluoreszierende Material wird mit einer Anregungsstrahlung zur Erzeugung einer Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Materials bestrahlt. Mindestens eine Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung wird detektiert, wobei vorzugsweise die Fluoreszenzlebensdauer der Fluoreszenzstrahlung bestimmt wird. Über die Detektierung der mindestens einen Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung und die Peakwellenlänge des Reflexionslichtes wird die Dehnung des Objektes ohne Temperatureinflüsse bestimmt.
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Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass die Dehnung des Objektes über zwei unterschiedliche Verfahren gemessen wird, sodass die Temperatureinflüsse auf die Messung und die Dehnung des Objektes kompensiert werden können. Dadurch ist eine sehr genaue Messung der Dehnung des Objektes und somit der auf das Objekt einwirkenden Kräfte und/oder Momente möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass die Anregungsstrahlung über eine Multimode-Faser dem Mantel zugeführt wird und/oder dass breitbandige Licht dem Faserkern über eine Singlemode-Faser zugeführt wird. Das Zuführen der Anregungsstrahlung für das fluoreszierende Material in dem Mantel über eine Multimode-Faser hat den Vorteil, dass Laserdioden mit einer wesentlich höheren Ausgangsleistung verwendet werden können als Laserdioden, die lediglich mit einer Singlemode-Faser gekoppelt sind. Darüber hinaus sind die Laserdioden, die Strahlung aus einer Multimode-Faser emittieren, deutlich günstiger in der Beschaffung als die mit Singlemode-Fasern gekoppelten Laserdioden. Durch die höhere Ausgangsleistung der Laserdiode kann die Intensität des aus der Fluoreszenzstrahlung bestehenden Signals verbessert werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine ausreichende Signalstärke der Fluoreszenzstrahlung erreichbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass sich die Anregungsstrahlung und die Hauptemissionswellenlängen der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Materials in Wellenlängenbereichen befinden, die unterschiedlich von dem Wellenlängenbereich der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters sind. Dadurch wird vermieden, dass sich Hauptwellenlängen der Anregungsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung und die Peakwellenlänge des Reflexionslichtes überschneiden, sodass die Signale klar voneinander getrennt sind und sich nicht beeinflussen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Sensor verwendet wird.
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Das Verfahren sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die Dehnung des Objektes an mehreren Messstellen des Objektes über mehrere Faser-Bragg-Gitter bestimmt wird, wobei für vorzugsweise jede Messstelle über die Detektierung mindestens eine Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung, vorzugsweise über eine Fluoreszenzlebensdauerbestimmung, die Temperatureinflüsse kompensiert werden.
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Da das Objekt an den unterschiedlichen Messstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass für jede Messstelle die Temperatureinflüsse separat kompensiert werden, sodass eine besonders genaue Messung möglich ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Intensität der Anregungsstrahlung periodisch moduliert ist und die Fluoreszenzlebensdauer über eine Phasenverschiebung zwischen der Anregungsstrahlung und der Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung bestimmt wird. Über die Phasenverschiebung ist die Fluoreszenzlebensdauer auf besonders vorteilhafte Weise bestimmbar.
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Auch ist es möglich, dass das fluoreszierende Material in unterschiedlichen Wellenlängen Licht emittiert, sodass mehrere Hauptemissionswellenlängen vorliegen. Die Auswertung der Messwerte über die Fluoreszenzstrahlung kann dann auch über das Verhältnis der Intensitäten der Hauptemissionswellenlängen erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass die Frequenz der Erfassung der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters höher ist als die Frequenz der Detektierung der Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung. Da über die Fluoreszenzstrahlung im Wesentlichen die Temperatur des Sensors bzw. des Objektes ermittelt wird und die Dehnungsänderungen im Vergleich zu den Temperaturänderungen des Objektes wesentlich schneller sind, ist es ausreichend, wenn die Detektierung der Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung mit einer geringeren Abtastrate erfolgt als die Erfassung der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes.
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Die Erfindung sieht ferner ein System zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt vor mit mindestens einem Sensor mit mindestens einem Faser-Bragg-Gitter mit einer ersten Lichtquelle zum Erzeugen eines vorzugsweise breitbandigen Lichtes, das zur Beleuchtung des mindestens einem Faser-Bragg-Gitters mit dem mindestens einem Sensor verbunden ist und mit einem ersten Detektor, vorzugsweise einem Spektrometer, zur Erfassung des von dem Faser-Bragg-Gitters erzeugten Reflexionslichtes und zur Bestimmung einer Peakwellenlänge des Reflexionslichtes. Die Erfindung sieht dabei vor, dass mindestens ein Sensor ein erfindungsgemäßer Sensor ist und dass eine zweite Lichtquelle zur Erzeugung der Anregungsstrahlung für das fluoreszierende Material eines oder mehrerer Sensorelemente und ein zweiter Detektor zur Erfassung der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Materials und Bestimmung mindestens einer Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung mit dem mindestens einem Sensor verbunden sind. Das erfindungsgemäße System ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt, indem über den erfindungsgemäßen Sensor das Signal aus dem Reflexionslicht des Faser-Bragg-Gitters und das Signal aus der Fluoreszenzstrahlung des fluoreszierenden Materials ausgewertet werden und somit eine Dehnung, bei der Temperatureinflüsse kompensiert sind, bestimmt wird. Auf diese Weise können Kräfte und/oder Momente, die auf das Objekt einwirken, in vorteilhafter Weise und sehr genau bestimmt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensor, dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen System ist es von Vorteil bzw. teilweise notwendig, dass der Sensor kalibriert wird.
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In dem erfindungsgemäßen System kann vorgesehen sein, dass jeweils eine Singlemode-Faser die erste Lichtquelle mit dem Faserkern jedes Sensorelementes des Sensors verbindet und/oder dass eine Multimode-Faser die zweite Lichtquelle mit dem Mantel jedes Sensorelementes des Sensors verbindet. Durch das Vorsehen einer Multimode-Faser, die die zweite Lichtquelle mit dem Mantel jedes Sensorelementes des Sensors verbindet, kann die Lichtquelle als eine Laserdiode ausgebildet sein, die mit einer Multimode-Faser koppelbar ist. Derartige Laserdioden können eine wesentlich höhere Ausgangsleistung aufweisen als Laserdioden, die lediglich mit einer Singlemode-Faser gekoppelt sind. Die Laserdioden mit höherer Ausgangsleistung sind deutlich günstiger in der Beschaffung als Laserdioden, die lediglich mit der Singlemode-Faser koppelbar sind. Darüber hinaus wirkt sich die höhere Ausgangsleistung positiv auf das durch das fluoreszierende Material erzeugte Signal aus.
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Das erfindungsgemäße System sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die zweite Lichtquelle über einen Splitter mit einem dritten Detektor zum detektieren eines Referenzsignals der Anregungsstrahlung verbunden ist. Auf diese Weise ist in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass eine Phasenverschiebung zwischen der Anregungsstrahlung und der Hauptemissionswelle des der Fluoreszenzstrahlung gemessen wird, da die Anregungsstrahlung über den dritten Detektor in Form eines Referenzsignals erfasst wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen System kann die erste Lichtquelle eine ASE-Lichtquelle (Amplified Spontaneous Emission), eine SLED (Superlumineszenzdiode), eine LED (Light Emitting Diode) oder eine EE-LED (Edge Emitting-Light Emitting Diode) sein. Die zweite Lichtquelle kann eine ASE-Lichtquelle, eine SLED, eine LED oder eine Laserdiode, die beispielsweise mit einer Multimode-Faser koppelbar ist, sein.
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Derartige Lichtquellen haben sich als besonders vorteilhaft zur Erzeugung des Lichts zum Beleuchten des Faser-Bragg-Gitters und zur Erzeugung der Anregungsstrahlung herausgestellt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems ist die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle, der erste Detektor und/oder der zweite Detektor über mindestens einen Koppler, vorzugsweise einen wellenlängenabhängigen Koppler (Wavelength Division Multiplexer) mit dem Sensor verbunden. Über einen wellenlängenabhängigen Koppler ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass Licht der beiden Lichtquellen in den Sensor zu leiten bzw. von dem Sensor die Fluoreszenzstrahlung und das Reflexionslicht zu den entsprechenden Detektoren zu leiten.
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Bei den erfindungsgemäßen Sensoren, beim erfindungsgemäßen Verfahren oder einem erfindungsgemäßen System, bei dem mehrere Faser-Bragg-Gitter zum Einsatz kommen, kann auch vorgesehen sein, dass die Faser-Bragg-Gitter unterschiedliche Gitterperioden aufweisen, sodass die Peakwellenlängen des Reflexionslichtes der Faser-Bragg-Gitter bei gleicher Dehnung unterschiedlich und somit voneinander unterscheidbar sind. Dadurch wird ermöglicht, dass auf eine einfache Art und Weise die Signale der unterschiedlichen Faser-Bragg-Gitter voneinander unterschieden und einzeln ausgewertet werden können.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt,
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2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Lichtleitfaser, die in einem Sensorelement eines erfindungsgemäßen Sensors verwendet wird und
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3 schematisch den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems mit einem erfindungsgemäßen Sensor.
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1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße System 1 zur Kraft- und/oder Momentenmessung an einem Objekt. Das Objekt ist in der Figur nicht dargestellt.
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Das erfindungsgemäße System 1 weist mindestens einen Sensor 2, eine erste Lichtquelle 3, eine zweite Lichtquelle 4, einen ersten Detektor 5 und einen zweiten Detektor 6 auf.
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Der Sensor 2 besteht aus einer Lichtleitfaser 20, die einen Sensorbereich 8 aufweist. In dem Sensorbereich 8 ist ein Faser-Bragg-Gitter 10 angeordnet. In dem Sensorbereich 8 ist die Lichtleitfaser 20 mit einem fluoreszierenden Material dotiert, das in der Figur nicht dargestellt ist. Der genaue Aufbau der Lichtleitfaser ist in 2 dargestellt.
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Die erste Lichtquelle 3 und die zweite Lichtquelle 4 sind über Lichtleiter 11, 11a, 14, 14a und Kopplerelemente 12a, 12b mit dem Sensor 2 verbunden. Ebenfalls über Lichtleiter 11, 11a, 14, 14a sind auch der erste Detektor 5 und der zweite Detektor 6 mit dem Sensor 2 verbunden.
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Die erste Lichtquelle 3 erzeugt vorzugsweise ein breitbandiges Licht, das über Lichtleiter 14, 14a und einen ersten Koppler 12a in den Sensor 2 geleitet wird. Dort wird das Licht von dem Faser-Bragg-Gitter 10 als Reflexionslicht reflektiert. Das Reflexionslicht besitzt dabei eine Peakwellenlänge. Das Reflexionslicht wird über den Lichtleiter 14, 14a und den ersten Koppler 12a zu dem ersten Detektor 5 geleitet, der das Reflexionslicht und gegebenenfalls das Spektrum des Reflexionslichtes detektiert, woraus die Peakwellenlänge ermittelbar ist. Der erste Detektor 5 kann beispielsweise ein Spektrometer sein.
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Wird das in 1 nicht dargestellte Objekt und somit der auf dem Objekt angeordnete Sensor 2 gedehnt, wird eine Reflexionslicht mit einer anderen Peakwellenlänge reflektiert, sodass über die Änderung der Peakwellenlänge auf die Dehnung des Sensors 2 und somit auf die Dehnung des Objektes geschlossen werden kann. Die Dehnung des Objektes entsteht jedoch aufgrund von Kraft- und/oder Momenteneinflüssen auf das Objekt und aufgrund von Temperatureinflüssen auf das Objekt. Ferner wird der Sensor 2 durch die Temperatur ebenfalls beeinflusst, da der thermo-optische Koeffizient der Lichtleitfaser sich ändern kann.
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Um die Temperatureinflüsse zu kompensieren, wird von der zweiten Lichtquelle 4 eine Anregungsstrahlung für das fluorzierende Material über die Lichtleiter 11, 11a, den zweiten Koppler 12b und den ersten Koppler 12a zu dem Sensor 2 geleitet. Die Anregungsstrahlung regt das fluoreszierende Material zu einer Fluoreszenzstrahlung an und die Fluoreszenzstrahlung wird über die Lichtleiter 11, 11a, den ersten Koppler 12a und den zweiten Koppler 12b zu dem zweiten Detektor 6 geleitet. Der zweite Detektor 6 detektiert die Fluoreszenzstrahlung und eine Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung. Die Anregungsstrahlung wird von dem der zweiten Lichtquelle 4 über einen Splitter 14 gesplittet und an einen dritten Detektor 15 geleitet, der ein Referenzsignal der Anregungsstrahlung detektiert. Über einen Vergleich des Referenzsignals der Anregungsstrahlung und der Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung lässt sich eine Phasenverschiebung und somit die Fluoreszenzlebensdauer des Fluoreszenzlichtes berechnen. Die Fluoreszenzlebensdauer ist ein Maß für die Dehnung des Sensorelementes und die Temperatur des Sensorelementes und erlaubt somit Rückschlüsse auf die Temperatur des Objektes. Mit Hilfe der Messwerte aus der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters und der Phasenverschiebung zwischen Fluoreszenzstrahlung und Anregungsstrahlung lässt sich die Temperatur des Sensorelementes und somit des Objektes bestimmen, wodurch sich die Dehnung des Objektes mit kompensierten Temperatureinflüssen errechnen lässt. Über diese Dehnung kann dann die auf das Objekt ausgeübte Kraft bzw. das auf das Objekt ausgeübte Moment bestimmt werden.
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Das breitbandige Licht der ersten Lichtquelle 3 kann über einen Splitter 13 geleitet werden, der das Licht aufteilt, sodass das Licht in mehrere Sensorelemente 7 oder Sensoren 2 geleitet werden kann, wie schematisch angedeutet ist.
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Der zweite Splitter 19 kann die Anregungsstrahlung der zweiten Lichtquelle 4 ebenfalls weiter aufteilen, sodass die Anregungsstrahlung ebenfalls in weitere Sensorelemente 7 bzw. Sensoren 2 geleitet werden kann.
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Der erste und der zweite Koppler 12a, 12b können wellenlängenabhängige Koppler (Wavelength Division Multiplexer) sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensor kann das fluoreszierende Material derart gewählt sein, dass die Anregungsstrahlung und die Hauptemissionswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich liegen, die von dem Wellenlängenbereich, in dem sich die Peakwellenlängen des Faser-Bragg-Gitters in Abhängigkeit von der Dehnung befinden, unterschiedlich sind. Dadurch ist eine klare Trennung der einzelnen Signale, beispielsweise über den Koppler 12a möglich.
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Der erfindungsgemäße Sensor 2 kann mehrere Sensorelemente 7 aufweisen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Faser-Bragg-Gitter 10 der einzelnen Sensorelemente 7 eine unterschiedliche Gitterperiode haben, sodass bei gleicher Dehnung die einzelnen Faser-Bragg-Gitter 10 ein Reflexionslicht erzeugen, das unterschiedliche Peakwellenlängen besitzt. Auf diese Weise kann mit der gleichen Lichtquelle 3 eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gittern 10 bestrahlt werden und ist dennoch eine gute Auswertung des von den mehreren Faser-Bragg-Gittern 10 reflektierten Reflexionslicht möglich. Es ist insbesondere möglich, mehrere Sensorelemente 7 des Sensors 2 in einer einzigen Lichtleitfaser anzuordnen.
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In 2 ist eine Lichtleitfaser 20, die für ein erfindungsgemäßes Sensorelement 7 verwendet wird, schematisch dargestellt. Die Lichtleitfaser besteht aus einem Faserkern 22, in dem das Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist. Das Faser-Bragg-Gitter ist in 2 nicht dargestellt. Der Faserkern 22 wird von einem Mantel 24 aus lichtleitendem Material umgeben. Das lichtleitende Material des Mantels 24 ist dabei mit dem fluoreszierenden Material dotiert. Ferner kann die Lichtleitfaser noch einen zweiten Mantel 26 aufweisen, der um den Mantel 24 mit fluoreszierendem Material angeordnet ist. Der zweite Mantel 26 gewährleistet, dass die in dem Mantel 24 eingeleitete Strahlung und die erzeugte Fluoreszenzstrahlung in dem Mantel 24 verbleiben bzw. durch diesen geleitet werden. Schließlich kann eine Schutzbeschichtung 28 vorgesehen sein, die die gesamte Lichtleitfaser 20 umgibt und vor Umwelteinflüssen schützt.
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Der schichtweise Aufbau der Lichtleitfaser 20 hat den Vorteil, dass das Volumen des Bereiches aus lichtleitendem Material, der mit dem fluoreszierenden Material dotiert ist, im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Singlemode-Fasern wesentlich größer ist, so dass das von dem fluoreszierenden Material erzeugte Material in Form von Fluoreszenzstrahlung wesentlich stärker ist. Dadurch können die Sensorelemente 7 sehr kurz und damit sehr klein ausgestaltet sein, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Signal des fluoreszierenden Materials unbrauchbar ist.
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Der Faserkern 22 kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 4 und 11 μm aufweisen. Der Durchmesser des Mantels 24 kann beispielsweise zwischen 80 und 125 μm, vorzugsweise 105 μm, sein.
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In 3 ist das erfindungsgemäße System 1 schematisch dargestellt, um die unterschiedliche Zuleitung zu dem Faserkern 22 mit dem Faser-Bragg-Gitter 10 und dem Mantel 24 zu verdeutlichen. In der in 3 gezeigten schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Systems 1 sind die Lichtquelle 3 sowie der erste Detektor 5 und der Splitter 13 als Messsystem 30 zur Auswertung des Faser-Bragg-Gitters zusammengefasst. Die Lichtquelle 4, der zweite Detektor 6, der Splitter 14 sowie der zweite Koppler 12b sind als Messsystem 40 zur Messung der Fluoreszenzlebensdauer zusammengefasst. Über die Lichtleiter 11, 11a, 14, 14a sind die beiden Messsysteme 30, 40 mit dem ersten Koppler 12a verbunden. An dem ersten Koppler 12a ist eine Lichtleitfaser angekoppelt, die aus der in 2 dargestellten Lichtleitfaser 20 mit zumindest dem Faserkern 22 mit dem Faser-Bragg-Gitter sowie einem den Faserkern 22 umgebenden Mantel 24 besteht. Der Mantel 24 ist mit fluoreszierendem Material dotiert. Die Lichtleitfaser 20 bildet das Sensorelement 7 des Sensors 2. Der Koppler 12a leitet dabei das breitbandige Licht des Messsystems 30 in den Faserkern 22, während die Anregungsstrahlung des Messsystems 40 in den Mantel 24 geleitet wird. Die Lichtleiter 11, 11a können dabei als Multimode-Faser ausgebildet sein. Dadurch kann die zweite Lichtquelle 4 eine Laserdiode sein, die mit einer Multimode-Faser koppelbar ist und somit eine wesentlich höhere Ausgangsleistung besitzt als eine Laserdiode, die lediglich mit einer Singlemode-Faser koppelbar ist.
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Die Lichtleiter 14, 14a sind als Singlemode-Fasern ausgebildet. Dadurch, dass die Lichtleitfaser 20 mehrschichtig ausgebildet ist, sind die von dem Faser-Bragg-Gitter 10 und dem fluoreszierenden Material des Mantels 24 erzeugten Signale getrennt leitbar, so dass es nicht unbedingt notwendig ist, dass die Hauptemissionswellenlängen der Fluoreszenzstrahlung sich deutlich von dem Wellenlängenbereich der Peakwellenlänge des Reflexionslichtes des Faser-Bragg-Gitters unterscheiden. Dadurch kann eine Vielzahl von fluoreszierendem Material verwendet werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Faserkern 22 mit einem fluoreszierenden Material dotiert ist, wodurch die Menge an fluoreszierendem Material in der Lichtleitfaser 20 erhöht und somit die Signalqualität verbessert wird. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist es selbstverständlich notwendig, dass die Hauptemissionswellenlängen der Fluoreszenzstrahlung sich von den Peakwellenlängen des Faser-Bragg-Gitters unterscheiden.
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Auch ist es möglich, dass der Faserkern 22 mit einem Material dotiert ist, was unterschiedlich zu dem Dotierungsmaterial des Mantels 24 ist. Wenn die Menge an fluoreszierendem Material in dem Faserkern 22 ausreichend groß ist, können somit zwei unterschiedliche Fluoreszenzstrahlungen mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement 7 erzeugt werden, so dass ein weiteres Signal zur Auswertung zur Verfügung stehen kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass bei mehreren Sensorelementen 7 ein unterschiedliches fluoreszierendes Material vorgesehen ist, das die Lichtleitfaser in den Sensorbereichen 8 dotiert. Durch das unterschiedliche fluoreszierende Material ist eine unterschiedliche Anregungsstrahlung und eine unterschiedliche Hauptemissionswellenlänge des Fluoreszenzlichtes möglich, sodass bei der Auswertung der Signale klar zwischen den einzelnen Sensorelementen unterschieden werden kann.
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Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, dass der zweite Detektor 6 für mehrere Messstellen genutzt wird.
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Die erste Lichtquelle kann beispielsweise eine ASE-Quelle (Amplified Spontaneous Emission) eine SLED (Superlumineszenzdiode) eine LED (Light Emitting Diode) oder eine EE-LED (Edge Emitting-Light Emitting Diode) sein.
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Die zweite Lichtquelle kann eine ASE-Quelle, eine SLED, eine LED oder eine Laserdiode sein.
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Auch ist es möglich, dass die Fluoreszenzlebensdauer durch impulsartige oder rechteckförmige Anregung der Fluoreszenz und anschließender Intensitätsmessung erfolgen, beispielsweise durch Bestimmung der Abfallszeit der Intensität.
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Das fluoreszierende Material kann ein Seltenerdmetall, beispielsweise Ytterbium oder Erbium, sein.
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Die zweite Lichtquelle kann auch eine modulierte ASE-Quelle, eine modulierte Superlumineszenzdiode oder eine modulierte LED sein. Die Anregungsstrahlung kann auch durch einen Depolarisator depolarisiert werden, um Polarisationseffekte zu minimieren. Der dritte Detektor 15 kann beispielsweise auch eine Fotodiode, die direkt in der zweiten Lichtquelle 4 angeordnet ist. Auch ist es möglich, über ein Ansteuersignal der zweiten Lichtquelle 2 des Referenzsignales für die Berechnung der Phasenverschiebung zu erhalten.
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Es können mehrere dritte Detektoren vorgesehen sein, die für jede Messstelle die Fluoreszenzstrahlung messen.
