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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung und Übertragung von Messwerten mittels optischer Sensoren, bei welcher eine optische Sendeeinheit, zur Erzeugung eines optischen modulierten Signals, über eine Glasfaserverbindung mit einer Wandler- und Sendeanordnung, zum Wandeln des optischen in ein elektrisches Signal, verbunden ist, wobei die Wandler- und Sendeanordnung mit einer ersten Antenne verbunden ist und wobei eine Empfangs- und Auswerteanordnung mit einer zweiten Antenne verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erfassung und Übertragung von Messwerten mittels optischer Sensoren, bei welchem ein Modulator ein aus einem elektrischen Träger und Daten bestehendes elektrisches moduliertes Signal erzeugt, welches auf einen optischen Träger, der von einem Laser erzeugt wird, moduliert wird, wobei dieses optisch modulierte Signal über eine Übertragungsstrecke übertragen und in ein elektrisches Signal gewandelt wird, und wobei das elektrische Signal drahtlos von einem Sender zu einem Empfänger übertragen wird, dass das elektrische Signal ausgewertet wird und das Ergebnis dieser Auswertung ausgegeben wird.
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Mittels der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Messwerte, die mit einem optischen Sensor gewonnen wurden, per Funk zu übertragen und auszuwerten. Dabei wird ein optisches moduliertes Signal genutzt, welches mittels eines elektrischen modulierten Signals unter Verwendung eines Lasers erzeugt wird. Das elektrisch modulierte Signal wiederum wurde in einem vorhergehenden Verfahrensschritt mittels eines Modulators aus einem elektrischen Träger mit auf diesen Träger aufmodulierten Daten erzeugt.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen optische Sensoren über Transmissions- oder Reflexionsmessungen ausgewertet werden.
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Dabei besitzt der Sensor eine von der Messgröße abhängige Amplitudenkennlinie, die frequenzabhängig oder leistungsbasiert ausgewertet wird. Die Auswerteeinheit ist optisch, beispielsweise mittels Glasfaser, mit dem Sensor verbunden. Hierbei kann mit optischen Leistungsmessern oder optischen Spektrumanalysatoren gearbeitet werden oder nach einer Photodiode mit elektrischer Messtechnik wie Netzwerkanalyzern. Die von der Auswerteeinheit gewonnenen Daten können dann von dieser mittels eines Kommunikationsmoduls z. B. per Funk versendet werden.
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Radio-over-Fiber-Systeme übertragen elektrische Daten über modulierte optische Träger. Generiert werden die Daten in der Central Station, abgestrahlt als Funksignale in der Base Station.
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Passive elektrische Sensoren (z.B. in SAW-Technologie) können mit einem elektrischen Sendepuls ausgelesen werden.
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Eine ausführliche Beschreibung zum verfügbaren Stand der Technik findet sich in W. Liu et al.: Fiber Bragg Grating Based Wireless Sensor Module With Modulate, Radio-Frequency Signal, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 20, No. 6, pp. 358–360 oder G. Gagliardi et al.: Fiber Bragg-grating strain sensor interrogation using laser radiofrequency modulation. Optics Express, Vol. 13, No. 7, pp. 2377–2384 oder H. Fu et al.: Fiber Sensor Systems Based on Fiber Laser and Microwave Photonic Technologies. Sensors 12/2012, pp. 5395–5419 oder X. Zou et al.: Wavelength Demodulation Approach Based on Dispersion-Induced Microwave Power Fading for Optical Sensor. IEEE Sensors Journal, Vol. 12, No. 5, pp. 1267–1271 oder J. E. Mitchell: Radio over fibre networks: Advances and challenges. ECOC '09. 20–24 Sept. 2009 oder X. Ye et al.: Comparative study of SAW temperature sensor based on different piezoelectric materials and crystal cuts for passive wireless measurement, Sensors 11/2010 pp.585–588.
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Aus der
RU39202 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Informationen mittels eines optischen Trägers und einer Anordnung zur Umsetzung in ein Funksignal bekannt.
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Aus der
DE 69828663 ist ein Versorgungs- und Übertragungssystem für einen in einer amagnetischen Struktur integrierten optischen Fasersensor sowie ein zugehöriges Versorgungs- und Empfangsmodul bekannt.
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Die
DE 10 2009 045 724 B3 beschreibt einen fotoakustischen Gassensor, enthaltend einen Resonanzkörper und ein Interferometer zur Erkennung einer Schwingung des Resonanzkörpers, welches eine optische Erfassung des Ortes von zumindest einer Teilfläche des Resonanzkörpers ermöglicht, wobei der Resonanzkörper und das Interferometer auf genau einem Substrat angeordnet sind, welches ein Halbleitermaterial enthält.
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Aus der
US 4599745 ist eine Vorrichtung bekannt, mit welcher im Wasser mittels Sensoren erfasster Daten über eine optische Kommunikationsverbindung zu einer Boje und von dieser Boje über eine hochfrequente Funkverbindung zu einer an Land befindlichen Empfangsstation übertragen werden.
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Dieser bekannte Stand der Technik weist die nachfolgend aufgeführten Nachteile auf.
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Die Auswertung der Transmissions- oder Reflexionsmessung und die anschließende Übermittlung erfordern einen komplizierten Systemaufbau, der eine Vielzahl von elektrooptischen Komponenten sowie ein komplettes Funkmodul umfasst. Dies ist kostenintensiv und kompliziert.
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Die komplette Auswerteeinheit muss beispielsweise mit dem Sensor per Glasfaser verbunden sein, was eine Fernübertragung von Daten in vielen Fällen erschwert. Außerdem muss an der Stelle, an welcher die Auswerteeinheit zum Einsatz kommt, immer eine Betriebsspannung zur Verfügung gestellt werden.
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Mit passiven elektrischen Sensoren kann nur ein kleiner Teil der Messaufgaben gelöst werden. Diese Sensoren sind von ihrer Funktionalität, Auflösung und dem Dynamikbereich nicht mit optischen Sensoren vergleichbar und stellen daher nur in Ausnahmefällen eine Alternative dar.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung von Messwerten mittels optischer Sensoren anzugeben, womit eine einfache robuste Messung ermöglicht wird und der Aufwand zur Messung, Übertragung und Auswertung vermindert wird. Außerdem soll die Auswerteeinheit nicht direkt mit dem Sensor verbunden sein müssen.
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Bei einer Anordnung zur Erfassung von Messwerten mittels optischer Sensoren wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Ausgang der optischen Sendeeinheit und dem Eingang der Wandler- und Sendeanordnung ein optischer Sensor angeordnet ist.
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Dieser in den Übertragungsweg eingefügte optische Sensor beeinflusst das zu übertragende optische modulierte Signal zumindest in einem seiner Parameter, wie beispielsweise der Signalamplitude.
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Der Sensor wird durch ein moduliertes optisches Signal ausgewertet. Das optische Trägersignal wird mit einem elektrischen modulierten Signal moduliert. Das elektrisch modulierte Signal kann beliebige Daten tragen, beispielsweise Nutzdaten einer Datenübertragung wie bei WLAN, insbesondere aber auch Identifikationsdaten des Sensors wie eine eindeutige Sensornummer.
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In einem Beispiel wird durch die Amplitudenkennlinie des Sensors das modulierte optische Signal beeinflusst (z. B. in Abhängigkeit der zu messenden Größe mittel einer durch den Sensor hervorgerufenen Dämpfung).
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Nach dieser Signalbeeinflussung wird dieses Sensorausgangssignal beispielsweise mittels einer Photodiode in den elektrischen Bereich umgesetzt und über eine Antenne ohne weitere Signalverarbeitung abgestrahlt.
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Dieses abgestrahlte Funksignal wird von einer Empfangs- und Auswerteanordnung empfangen. Da sich proportional zu den Messwerten des optischen Sensors ebenfalls die Amplitude dieses Funksignals ändert, kann diese Änderung nach einer entsprechenden Kalibrierung ausgewertet werden und liefert den Messwert des optischen Sensors.
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Über eine vorhandene Glasfaserinfrastruktur ist es möglich, das optische Signal wie das modulierte optische Signal oder das Sensorauslesesignal über größere Entfernungen (10–100 km) zu übertragen. Die Generierung kann also zentral erfolgen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wandler- und Sendeanordnung eine Photodiode ist.
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Im einfachsten Fall kann das optische Trägersignal mittels einer Photodiode in ein über eine Antenne abzustrahlendes elektrisches Signal gewandelt werden. Der Einsatz eines Signalverstärkers zum Verstärken des Signals vor der Abstrahlung über eine Antenne ist alternativ möglich.
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In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, dass die Empfangs- und Auswerteanordnung Mittel zum Empfang des von der Wandler- und Sendeanordnung über eine Antenne gesendeten Sendesignals und Mittel zur Auswertung des Empfangssignals und zur Bestimmung des Messwerts des optischen Sensors beinhaltet.
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Die Empfangs- und Auswerteanordnung weist einen Empfänger mit einer angeschlossenen Antenne zum Empfang eines von einer Wandler- und Sendeanordnung über eine Antenne abgestrahlten Signals auf. Mittel zur Verstärkung des Empfangssignals können vorgesehen werden. Eine weitere Baugruppe innerhalb der Empfangs- und Auswerteanordnung ermöglicht die Auswertung des Empfangssignals und die Bestimmung des Messwerts eines entsprechenden optischen Sensors.
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Die Baugruppe ist derart ausgeführt, dass sie auch Messwerte mehrerer optischer Sensoren nacheinander oder zeitgleich bestimmen kann. Für eine derartige Zuordnung zu verschiedenen Sensoren können die auf den elektrischen Träger aufgeprägten Daten eine entsprechende Kennung oder Kennziffer beinhalten. Eine Zuordnung der optischen Sensoren erfolgt derart, dass jedem Sensor ein eindeutiges Identifikationszeichen zugewiesen wird.
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Bei einem Verfahren zur Erfassung von Messwerten mittels optischer Sensoren wird vorgeschlagen, dass das optische modulierte Signal im Bereich der Übertragungsstrecke in Abhängigkeit einer zu messenden physikalischen Größe in einem seiner Parameter verändert wird.
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Eine mittels eines optischen Sensors zu messende physikalische Größe Temperatur hat einen Einfluss auf das Übertragungsverhalten des Sensors selbst. So kann sich beispielsweise mit zunehmender Temperatur die durch den Sensor hervorgerufene Dämpfung des optischen Trägersignals ändern, beispielsweise nimmt die Signalamplitude zu. Dieser Zusammenhang kann ausgewertet und somit auf einen Messwert am Sensor geschlossen werden. Mittels optischer Sensoren können aber auch andere physikalische Größen wie Druck, Zug, Brechzahl des Umgebungsmediums gemessen werden.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der veränderte Parameter die Amplitude des optischen modulierten Signals ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der veränderte Parameter die Phase des optischen modulierten Signals ist.
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Neben einer Veränderung der Signalamplitude kann auch die Phase des optischen modulierten Signals beeinflusst werden oder beide Parameter.
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In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische modulierte Signal zu Kalibrierung zusätzlich ohne Veränderung eines Parameters über die Übertragungsstrecke übertragen wird.
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Zu Kalibrierungszwecken ist vorgesehen, das optische Trägersignal ohne eine Beeinflussung der Phase oder der Amplitude oder beider an die Empfangs- und Auswerteanordnung zu übertragen.
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In einer anderen Variante ist vorgesehen, dass die Daten Nutzdaten sind, welche zusätzlich über die Übertragungsstrecke übertragen und ausgewertet und ausgegeben werden.
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Die üblicherweise im Modulator zur Erzeugung des elektrischen Trägersignals genutzten Daten können zur Übertragung von Nutzdaten über das System genutzt werden, ohne dass diese Datenübertragung einen Einfluss auf die Ermittlung der Messwerte der optischen Sensoren hat.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung von Messwerten mittels optischer Sensoren sowie deren Übertragung zur Empfangs- und Auswerteeinheit,
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2 eine Prinzipdarstellung eines modulierten Signals und einer Sensorcharakteristik im optischen Bereich mittels eines Leistungs-Frequenz-Diagramms,
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3 eine Prinzipdarstellung eines resultierenden Signals im elektrischen Bereich, welches von der Sensorcharakteristik beeinflusst wird, in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm,
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4 eine beispielhafte Amplitudenkennlinie eines optisch arbeitenden Temperatursensors in einem Leistungs-Temperatur-Diagramm und
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5 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Realisierung der Erfindung.
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Bei der hier beschriebenen Datenübertragung werden Trägersignale (kurz: Träger) verwendet, auf die mittels Modulation Informationen (Daten) aufgeprägt werden. Die Träger selbst haben konstante charakteristische Parameter.
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Diese werden durch den Vorgang der Modulation in Abhängigkeit der aufzuprägenden Information verändert. Die Informationen liegen als Modulationssignal vor. Ergebnis des Modulationsvorganges ist das modulierte Signal.
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In der 1 ist das Blockschaltbild einer Anordnung zur Erfassung von Messwerten 1 mittels optischer Sensoren 2 sowie deren Übertragung zur Empfangs- und Auswerteeinheit 3 dargestellt. Eine optische Sendeeinheit 4 erzeugt aus einem modulierten elektrischen Signal, welches einen Träger und auf diesen Träger aufgeprägte Daten aufweist, ein optisches moduliertes Signal.
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Dieses optische modulierte Signal wird beispielsweise über Glasfaserkabel innerhalb eines optischen Netzwerks 5 verteilt. An diesem Netzwerk 5 sind mehrere optische Sensoren 2 mit ihrer jeweiligen Eingangsseite angeschlossen. Derart ist es möglich, mittels einer einzigen optischen Sendeeinheit 4 die Eingangssignale aller Sensoren 2 zu erzeugen.
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Die optischen Sensoren 2 ändern ihre optischen Eigenschaften beispielsweise durch den Einfluss der Umgebungstemperatur oder Druck, Zug, Brechzahl oder ph-Wert des Umgebungsmediums.
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Diese Änderung der Eigenschaften der optischen Sensoren 2, beispielsweise eine Veränderung der Dämpfung in Abhängigkeit der Temperatur des Sensors 2, wirkt sich auf das optische modulierte Signal aus, welches somit beispielsweise in seiner Amplitude verändert wird.
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Das derart veränderte optische modulierte Signal wird vom Ausgang des optischen Sensors 2 zu einer Photodiodenanordnung 6 übertragen. Diese Photodiode 6 wandelt das optische modulierte Signal in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird nachfolgend von einer Sendeantenne 7 abgestrahlt. Diese Abstrahlung des elektrischen Signals kann direkt oder unter Zwischenschaltung eines Leistungsverstärkers erfolgen.
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Das von der zu einem Sensor 2 zugeordneten Sendeantenne 7 abgestrahlte Signal wird von einer, einer Empfangs- und Auswerteeinheit zugeordneten, Empfangsantenne 8 empfangen und in dieser Empfangs- und Auswerteeinheit 3 zentral ausgewertet.
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Proportional zu den erfassten Messwerten des optischen Sensors 2 ändert sich die Amplitude dieses Funksignals. Diese Änderung entspricht somit dem durch den optischen Sensor 2 gelieferten Messwert. Unter Zugrundelegen dieses Zusammenhangs wird in der Auswerteeinheit 3 beispielsweise die durch den Sensor 2a gemessene Temperatur bestimmt.
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Die 2 zeigt ein Leistungs-Frequenz-Diagramm in welchem der optische Träger und die elektrischen Träger dargestellt sind, wie sie am Eingang eines optischen Sensors 2 vorliegen. Mittels einer Strich-Strich-Linie ist die Übertragungscharakteristik eines Sensors 2 dargestellt.
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Der Doppelpfeil zeigt eine Veränderung der dargestellten Übertragungscharakteristik eines Sensors 2 an, bedingt durch einen sich ändernden Parameter, wie beispielsweise eine Temperatur, welcher mittels dieses Sensors 2 erfasst werden soll.
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Durch die gedachte Verschiebung der Übertragungscharakteristik wird das aus optischem und elektrischem Träger bestehende Signal mehr oder weniger gedämpft und somit in Abhängigkeit des Messwertes verändert.
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Die 3 zeigt ein Leistungs-Frequenz-Diagramm, in welchem der elektrische Träger dargestellt ist, wie er als Sendesignal an der Sendeantenne 7 in der 1 vorliegt.
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Der dargestellte Doppelpfeil zeigt die Veränderung der Amplitude des elektrischen Signals in Abhängigkeit der Messgröße an. Also beispielsweise eine abnehmende Amplitude des Signals bei einer zunehmenden Temperatur am Sensor 2 oder umgekehrt.
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In der 4 ist für einen beispielhaften optischen Sensor 2 ein Dämpfungs-Temperatur-Verlauf dargestellt. Zu sehen ist, dass mit zunehmender Temperatur die Dämpfung abnimmt. Da dieser Zusammenhang der Auswerteanordnung 3 bekannt ist, kann mittels einer vorherigen geeigneten Kalibrierung, die Temperatur des Sensors 2 aus dessen Einfluss (z. B. Dämpfung) auf das optische modulierte Signal bestimmt werden.
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In der 5 ist eine beispielhafte Umsetzung der Erfindung dargestellt.
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In einer optischen Sendeeinheit 4, welcher als Radio-over-Fiber-Sender ausgeführt ist, wird ein moduliertes optisches Signal erzeugt, das über Glasfaser 5 übertragen werden kann. Dieses auf einen optischen Träger modulierte Signal besteht aus einem elektrischen Träger mit aufmodulierten Daten.
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Der elektrische Träger liegt beispielsweise bei einer Frequenz von 2,5 GHz. In einem Mischer (= elektrische Modulation) innerhalb der Sendeeinheit 4 werden Daten auf diesen Träger aufgeprägt. Diese Daten können Kommunikationsdaten sein, aber auch eine Kodierung für die Auswerteeinheit des Sensors enthalten. Das resultierende elektrische Signal ist nun so ausgestaltet, dass es mit einer Sendeantenne 7 als Funksignal ohne weitere Verarbeitung ausgesendet werden könnte. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von WLAN-Signalen.
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Dieses Signal wird nun beispielsweise innerhalb der optischen Sendeeinheit 4 auf eine Laserlinie moduliert. Dazu kann Direktmodulation verwendet werden oder ein externer Modulator. Der Laser hat eine für die Übertragung mit Glasfaser geeignete Wellenlänge. Im Beispiel wurde ein direkt modulierter DFB-Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet.
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Das derart erzeugte optische Signal wird zunächst über ein Glasfasernetzwerk 5 übertragen. Dieses Glasfasernetzwerk 5 ist in vielen Fällen schon Teil einer bestehenden Kommunikationsinfrastruktur und kann auch erfindungsgemäß genutzt werden. An dieses Glasfasernetzwerk 5 ist ein optischer Temperatursensor 2 angeschlossen. Dieser verändert das Signal in seiner Amplitude in Abhängigkeit der zu messenden Temperatur des Sensors 2.
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Der optische Temperatursensor 2 ist gekennzeichnet durch eine Kennlinie, die eine temperaturabhängige Dämpfung hervorruft. Durch diese Dämpfung verändert sich das modulierte optische Signal (optischer Träger mit aufmoduliertem elektrischen Signal, bestehend aus elektrischem Träger und Daten) in seiner Amplitude.
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Nach der Änderung des Parameters Amplitude des modulierten Signals wie beschrieben, kann das resultierende Signal am Ausgang des Sensors 2 weiter über eine Faserstrecke übertragen werden.
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Am gewünschten Sendeort wandelt eine Photodiode 6 das optische Signal in ein elektrisches Signal. Dieses elektrische Signal entspricht dem erzeugten elektrischen Signal aus dem Radio-over-Fiber-Sender (elektrische Trägerfrequenz, Daten), enthält aber eine zusätzliche Veränderung des Parameters Amplitude durch den Einfluss des Temperatursensors. Durch Anschluss einer Sendeantenne 7 (ggf. mit Verstärker) wird dieses Signal beispielsweise ohne weitere Verarbeitung abgestrahlt.
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An einer entfernten Station (z.B. zentrale Steuerstation) wird das Funksignal über die dortige Empfangsantenne 8 empfangen. Die Empfangs- und Auswerteeinheit 3 kann die durch den Temperatursensor hervorgerufenen Amplitudenschwankungen dann Temperaturwerten zuordnen. Die im Radio-over-Fiber-Sender aufgeprägten Daten können ggf. weiterverarbeitet werden, beispielsweise als Kommunikationsdaten wie bei WLAN üblich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung zur Erfassung von Messwerten
- 2
- optischer Sensor
- 3
- Empfangs- und Auswerteeinheit
- 4
- optische Sendeeinheit
- 5
- optisches Netzwerk (z. B. Glasfaser)
- 6
- Wandler- und Sendeanordnung
- 7
- Sendeantenne
- 8
- Empfangsantenne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 39202 [0009]
- DE 69828663 [0010]
- DE 102009045724 B3 [0011]
- US 4599745 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- W. Liu et al.: Fiber Bragg Grating Based Wireless Sensor Module With Modulate, Radio-Frequency Signal, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 20, No. 6, pp. 358–360 [0008]
- G. Gagliardi et al.: Fiber Bragg-grating strain sensor interrogation using laser radiofrequency modulation. Optics Express, Vol. 13, No. 7, pp. 2377–2384 [0008]
- H. Fu et al.: Fiber Sensor Systems Based on Fiber Laser and Microwave Photonic Technologies. Sensors 12/2012, pp. 5395–5419 [0008]
- X. Zou et al.: Wavelength Demodulation Approach Based on Dispersion-Induced Microwave Power Fading for Optical Sensor. IEEE Sensors Journal, Vol. 12, No. 5, pp. 1267–1271 [0008]
- J. E. Mitchell: Radio over fibre networks: Advances and challenges. ECOC '09. 20–24 Sept. 2009 [0008]
- X. Ye et al.: Comparative study of SAW temperature sensor based on different piezoelectric materials and crystal cuts for passive wireless measurement, Sensors 11/2010 pp.585–588 [0008]
