DE102015201340A1

DE102015201340A1 - Fiber optic vibration sensor

Info

Publication number: DE102015201340A1
Application number: DE102015201340.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Villnow; Joachim Kaiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2016-07-28
Also published as: WO2016120088A1

Abstract

Es wird ein faseroptischer Vibrationssensor mit einer optischen Faser, die ein freistehendes Ende aufweist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Vibrationen in Schwingungen versetzt wird, und diese Schwingungen als Maß für die Vibrationen detektiert werden, einer Lichtquelle zur Emission von Licht in die optische Faser an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser, einem Spiegel, der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser zurückzuwerfen und einer Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser angegeben. Der Vibrationssensor umfasst ein im Strahlengang des Lichts außerhalb der optischen Faser angeordnetes Festkörper-Element mit einer temperaturabhängigen optischen Eigenschaft und eine Auswerteeinrichtung, ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur des Festkörper-Elements aus spektralen Veränderungen des Lichts sowie zur Ermittlung von Vibrationen aus Intensitätsänderungen des Lichts.There is provided a fiber optic vibration sensor having an optical fiber having a freestanding end, the free-standing end being vibrated under the influence of vibrations, and these vibrations being detected as a measure of the vibrations of a light source for emitting light into the optical Fiber at a free end of the distal end of the fiber, a mirror which is arranged to throw back a part of light emerging from the freestanding end in the optical fiber and a detection device for receiving reflected light at the free end facing away from the end of the fiber , The vibration sensor comprises a solid element arranged in the beam path of the light outside the optical fiber with a temperature-dependent optical property and an evaluation device designed to determine the temperature of the solid element from spectral changes of the light and to detect vibrations from changes in intensity of the light.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faseroptischen Vibrationssensor, insbesondere zur Anwendung in einem Generator. The invention relates to a fiber optic vibration sensor, in particular for use in a generator.

Generatoren im Kraftwerksbereich weisen unter anderem im Bereich des Wickelkopfes Schwingungen in der doppelten Netzfrequenz auf. Bei zu hohen Amplituden der Stabschwingungen können Schäden an der Isolierung bzw. am Kupfer auftreten. Die Schäden können zur Zerstörung des Generators führen. Da sich der Wickelkopf auf Hochspannungspotenzial befindet, werden zur Überwachung solcher Schwingungen zunehmend faseroptische Beschleunigungssensoren eingesetzt (sog. FOA = fiber optical accelerometer). Ein Beispiel für einen solchen FOA arbeitet mit einer mit einer optischen Faser verbundenen Schwungmasse, die durch die auftretende Beschleunigung ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann beispielsweise auf ein Faser Bragg Gitter (FBG) übertragen werden, das dadurch gedehnt wird. Ein bekanntes Verfahren ist auch, die Auslenkung der Schwungmasse in eine Intensitätsänderung eines Lichtsignals umzuwandeln. Generators in the power plant area have, among other things, in the area of the winding head oscillations in the double mains frequency. If the amplitude of the bar vibrations is too high, damage to the insulation or to the copper can occur. The damage can lead to the destruction of the generator. Since the winding overhang is at a high voltage potential, fiber optic acceleration sensors (so-called FOA = fiber optical accelerometer) are increasingly being used to monitor such vibrations. An example of such a FOA operates with a flywheel connected to an optical fiber, which is deflected by the acceleration occurring. The deflection may, for example, be transmitted to a fiber Bragg grating (FBG) which is thereby stretched. A known method is also to convert the deflection of the flywheel into a change in intensity of a light signal.

Nachteilig an den bekannten Vibrationssensoren ist, dass Temperaturschwankungen, die im Generator auftreten, durch die thermische Ausdehnung und thermisch bedingte Änderungen im Brechungsindex das Messsignal beeinflussen. Sie wirken sich daher nachteilig auf die Messgenauigkeit aus. A disadvantage of the known vibration sensors that temperature fluctuations that occur in the generator, affect the measurement signal by the thermal expansion and thermally induced changes in the refractive index. They therefore have an adverse effect on the measurement accuracy.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Vibrationssensor anzugeben, der den genannten Nachteil vermindert oder vermeidet. It is an object of the present invention to provide a fiber optic vibration sensor, which reduces or avoids the mentioned disadvantage.

Diese Aufgabe wird durch einen faseroptischen Vibrationssensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. This object is achieved by a fiber optic vibration sensor having the features of claim 1. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.

Dabei wird erfindungsgemäß eine optische Faser verwendet, die ein freistehendes Ende aufweist. Das frei stehende Ende der optischen Faser wird durch die Trägheitskräfte ausgelenkt. Die Faserabschlussfläche am freistehenden Ende steht dicht vor einem schräg gestellten Spiegel. Wird die Glasfaser ausgelenkt, wird je nach Schwingungszustand mehr oder weniger Licht in die Glasfaser zurück reflektiert. In this case, an optical fiber is used according to the invention, having a free-standing end. The free end of the optical fiber is deflected by the inertial forces. The fiber termination surface at the freestanding end is close to a tilted mirror. If the glass fiber is deflected, more or less light is reflected back into the glass fiber, depending on the vibration state.

Der erfindungsgemäße faseroptische Vibrationssensor umfasst eine optische Faser, die ein freistehendes Ende aufweist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Vibrationen in Schwingungen versetzt wird, und diese Schwingungen als Maß für die Vibrationen detektiert werden. Er umfasst weiterhin eine Lichtquelle zur Emission von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht in die optische Faser an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser, einen Spiegel, der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser zurückzuwerfen sowie eine Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser. The fiber optic vibration sensor according to the invention comprises an optical fiber having a freestanding end, wherein the free-standing end is vibrated under the influence of vibrations, and these vibrations are detected as a measure of the vibrations. It further comprises a light source for emitting visible, ultraviolet or infrared light into the optical fiber at a distal end of the fiber, a mirror arranged to reflect a portion of light emerging from the free-standing end into the optical fiber and a detection device for receiving reflected light at the end remote from the freestanding end of the fiber.

Erfindungsgemäß ist weiterhin ein im Strahlengang des Lichts außerhalb der optischen Faser angeordneten Absorptions-Element mit einer temperaturabhängigen optischen Eigenschaft und eine Auswerteeinrichtung, ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur des Absorptions-Elements aus spektralen Veränderungen des Lichts sowie zur Ermittlung von Vibrationen aus Intensitätsänderungen des Lichts umfasst. According to the invention, an absorption element arranged in the beam path of the light outside the optical fiber and having a temperature-dependent optical property and an evaluation device configured to determine the temperature of the absorption element from spectral changes of the light and to detect vibrations from changes in intensity of the light are also included.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass neben der Intensitätsschwankung durch die Schwingungen auch andere Eigenschaften des Lichts, beispielsweise die spektrale Zusammensetzung ausgewertet werden können. Vorteilhaft kann so ein Sensor geschaffen werden, der neben der Vibration selbst auch die Temperatur im Bereich des freistehenden Endes ermitteln kann. Damit wiederum lässt sich der Einfluss der Temperatur auf die Messung der Vibration kompensieren und somit vorteilhaft die Messgenauigkeit verbessern. For the invention it was recognized that in addition to the intensity fluctuation by the vibrations, other properties of the light, for example the spectral composition can be evaluated. Advantageously, such a sensor can be created, which can determine not only the vibration itself but also the temperature in the region of the freestanding end. This, in turn, compensates for the influence of the temperature on the measurement of the vibration and thus advantageously improves the measurement accuracy.

Weiterhin ist dabei vorteilhaft, dass abgesehen von dem Absorptions-Element keine zusätzlichen baulichen Elemente nötig sind, um die Temperaturdetektion zu ermöglichen. Lediglich die Auswertungseinrichtung muss an die Ermittlung von Vibration und Temperatur angepasst sein: Die Baugröße des Vibrationssensors ändert sich daher ebenfalls nicht. Neben der Kompensation von Einflüssen der Temperatur auf die Vibrationsmessung steht die Temperatur als Messwert an sich vorteilhaft zur Verfügung. Furthermore, it is advantageous that apart from the absorption element no additional structural elements are necessary to allow the temperature detection. Only the evaluation device must be adapted to the determination of vibration and temperature: The size of the vibration sensor therefore also does not change. In addition to the compensation of influences of the temperature on the vibration measurement, the temperature is advantageously available as a measured value per se.

Bei dem Absorptions-Element handelt es sich nicht notwendigerweise um ein separates Strukturbauteil. Das Absorption-Element kann auch als unteilbarer Anteil eines der anderen Elemente realisiert sein wie beispielsweise als Teil des Spiegels. Mit anderen Worten können beispielsweise Spiegel und Absorptions-Element als ein Element realisiert sein. The absorption element is not necessarily a separate structural component. The absorption element can also be realized as an indivisible part of one of the other elements, for example as part of the mirror. In other words, for example, mirror and absorption element can be realized as one element.

Im Weiteren werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung genannt:

– Das Absorptions-Element kann als Festkörper realisiert sein, beispielsweise als Strukturbauteil oder als Beschichtung. Alternativ kann das Absorptionselement auch als Flüssigkeit oder Gas realisiert sein.
– Das Absorptions-Element kann Galliumarsenid umfassen. Der Bandabstand in GaAs hängt in erheblicher Weise von der Temperatur ab. Dadurch verschiebt sich die Absorptionskante in GaAs mit der Temperatur von ca. 890 nm bei 31 °C zu ca. 930 nm bei 120 °C. Diese Verschiebung lässt sich gut ermitteln.
– Das Absorptions-Element kann einen optischen Resonator umfassen, beispielsweise ein Fabry-Perot-Etalon. Ein solches Element erlaubt nur Licht in schmalen Resonanzbereichen eine Transmission.
– Das Absorptions-Element kann am Abschluss des freistehenden Endes der optischen Faser angeordnet sein. Dann tritt das Licht direkt aus der optischen Faser in das Element ein und wird dort teilweise weitergeleitet. Nach Austritt aus dem Absorptions-Element trifft das Licht auf den Spiegel und wird von diesem zurückgeworfen. Nach nochmaligen Durchtritt durch das Absorptions-Element läuft ein Teil des Lichts dann zurück zum Detektor.
– Alternativ kann das Absorptions-Element am Spiegel angeordnet sein, beispielsweise als Beschichtung oder als System von Beschichtungen. Bevorzugt weist das Absorptions-Element in diesem Fall rückseitig, d.h. abgewandt vom Faserende eine hochreflektierende Schicht auf. Diese hochreflektierende Schicht dient dann als Spiegel.
– Um die Resonanzfrequenz ausreichend hoch gegenüber der Betriebsfrequenz zu halten, typischerweise 400 Hz, ist die Länge der Faser zweckmäßig klein genug zu wählen. Für eine hohe Empfindlichkeit hingegen ist eine möglichst große Faserlänge vorteilhaft. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Standard-Multimode-Faser 62/125 µm eine Faserlänge zwischen 12 und 18 mm für das freistehende Ende verwendet. Insbesondere wird eine Faserlänge von zwischen 15 und 17 mm gewählt und gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Faserlänge 16 mm. Eine Faserlänge von 16 mm hat sich als vorteilhaft bezüglich der Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit herausgestellt.
– Als Schwungmasse dient bevorzugt nur das Eigengewicht der optischen Faser. Alternativ kann auch eine zusätzliche Schwungmasse vorgesehen sein. Dabei wird unter der Schwungmasse eine Masse verstanden, die eine erhebliche Änderung des Schwingverhaltens der optischen Faser bewirkt. Ein auf dem freistehenden Ende der optischen Faser angeordneter GaAs-Kristall soll nicht als Schwungmasse gelten.
– Der Vibrationssensor kann zwei oder mehr Lichtquellen umfassen, wobei das Licht einer der Lichtquellen in einem Wellenlängenbereich liegt, der von der temperaturabhängigen optischen Eigenschaft im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise eine Lichtquelle verwendet werden, deren Haupt- oder mittlere Wellenlänge ausreichend weit oberhalb einer Absorptionskante liegt, so dass das Licht nahezu unbeeinflusst von der Absorption und damit auch von einer Temperaturvariation in der Absorption ist. Eine weitere Lichtquelle wird so gewählt, dass ihre Hauptwellenlänge gerade in dem Bereich liegt, in dem sich die Änderung der Absorptionskante durch die Temperatur vollzieht. Im Falle von GaAs als Absorptions-Element kann beispielsweise eine erste Lichtquelle bei einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet werden, um das vom GaAs nur unwesentlich beeinflusste Vibrationssignal zu erzeugen. Eine weitere Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 900 nm hingegen dient der Temperaturbestimmung.
– Alternativ kann eine Lichtquelle mit breitem emittiertem Spektrum verwendet werden.
– Mit einem faseroptischen Koppler kann das zurückgeworfene Licht in zwei Detektionskanäle aufgeteilt werden. Für jeden der Detektionskanäle kann dann ein optischer Filter, beispielsweise ein Kantenfilter oder Bandpassfilter vorhanden sein, der das Licht filtert, bevor es in den Detektor fällt.

In the following, advantageous embodiments and further developments of the invention are mentioned:

- The absorption element can be realized as a solid, for example as a structural component or as a coating. Alternatively, the absorption element can also be realized as a liquid or gas.
The absorption element may comprise gallium arsenide. The band gap in GaAs hangs in considerably from the temperature. This shifts the absorption edge in GaAs with the temperature of about 890 nm at 31 ° C to about 930 nm at 120 ° C. This shift can be easily determined.
The absorption element may comprise an optical resonator, for example a Fabry-Perot etalon. Such an element allows only light in narrow resonance areas a transmission.
The absorption element can be arranged at the end of the free-standing end of the optical fiber. Then the light enters the element directly from the optical fiber and is partially passed on there. After exiting the absorption element, the light hits the mirror and is reflected by it. After repeated passage through the absorption element, a portion of the light then passes back to the detector.
Alternatively, the absorption element can be arranged on the mirror, for example as a coating or as a system of coatings. In this case, the absorption element preferably has a highly reflective layer on the rear side, ie, away from the fiber end. This highly reflective layer then serves as a mirror.
In order to keep the resonant frequency sufficiently high relative to the operating frequency, typically 400 Hz, the length of the fiber is desirably small enough to choose. For a high sensitivity, however, the largest possible fiber length is advantageous. In an advantageous embodiment of the invention, a fiber length of between 12 and 18 mm for the freestanding end is used for a standard multimode fiber 62/125 μm. In particular, a fiber length of between 15 and 17 mm is selected and according to an advantageous embodiment, the fiber length is 16 mm. A fiber length of 16 mm has been found to be advantageous in terms of resonance frequency and sensitivity.
- As a flywheel is preferably only the weight of the optical fiber. Alternatively, an additional flywheel may be provided. Here, the mass is understood to mean a mass that causes a significant change in the vibration behavior of the optical fiber. An arranged on the free-standing end of the optical fiber GaAs crystal should not be considered a flywheel.
The vibration sensor may comprise two or more light sources, the light of one of the light sources being in a wavelength range that is substantially unaffected by the temperature-dependent optical property. In other words, for example, a light source can be used whose main or middle wavelength is sufficiently far above an absorption edge, so that the light is almost unaffected by the absorption and thus by a temperature variation in the absorption. Another light source is chosen so that its main wavelength is just in the range in which the change of the absorption edge by the temperature takes place. For example, in the case of GaAs as the absorption element, a first light source at a wavelength of 1550 nm may be used to generate the vibration signal which is insignificantly influenced by the GaAs. Another light source with a wavelength of 900 nm, however, serves to determine the temperature.
- Alternatively, a light source with a broad emitted spectrum can be used.
- With a fiber optic coupler, the reflected light can be split into two detection channels. For each of the detection channels, an optical filter, for example an edge filter or bandpass filter, can then be present, which filters the light before it falls into the detector.

Um Rückreflexionen an der Abschlussfläche der optischen Faser zu vermeiden, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein 8°-Bruch der Endfläche verwendet. Die azimutale Orientierung des Faserendes relativ zum Spiegel wird zweckmäßig so gewählt, dass der Bruch und die Spiegelfläche den maximal möglichen Winkel einschließen. Mit anderen Worten bilden Bruch und Spiegelfläche die Form eines „V“. Durch die schräge Abschlussfläche wird das Licht etwas nach unten – unten mit Bezug auf die Form des „V“ – aus der Faser gebrochen, um ca. 3,5°. Dadurch wird der effektive Einstrahlwinkel auf den Spiegel verringert. In order to avoid back reflections at the end face of the optical fiber, an 8 ° break of the end face is used according to an advantageous embodiment of the invention. The azimuthal orientation of the fiber end relative to the mirror is expediently chosen so that the fracture and the mirror surface include the maximum possible angle. In other words, the fracture and mirror surface form the shape of a "V". Due to the sloping end surface, the light is slightly downwards - with reference to the shape of the "V" - broken out of the fiber, by about 3.5 °. This reduces the effective angle of incidence on the mirror.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Spiegel um zwischen 9° und 13° gekippt. Die azimutale Orientierung des Faserendes relativ zum Spiegel wird zweckmäßig wieder so gewählt, dass der Bruch und die Spiegelfläche den maximal möglichen Winkel einschließen. Mit anderen Worten bilden Bruch und Spiegelfläche ein die Form eines „V“. Insbesondere wird der Spiegel um 11° gekippt. In an advantageous embodiment of the invention, the mirror is tilted by between 9 ° and 13 °. The azimuthal orientation of the fiber end relative to the mirror is expediently again selected so that the fracture and the mirror surface include the maximum possible angle. In other words, fracture and mirror surface form the shape of a "V". In particular, the mirror is tilted by 11 °.

Alternativ können Spiegel und Faserende auch so zueinander angeordnet sein, dass der eingeschlossene Winkel minimiert wird. Mit anderen Worten bilden die schräge Spiegelfläche und der Bruch eine Parallelogramm-artige Anordnung. Alternatively, mirrors and fiber ends may also be arranged to each other such that the included angle is minimized. In other words, the inclined mirror surface and the break form a parallelogram-like arrangement.

Vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der Glasfaser vom Spiegel zwischen 25 und 75 µm beträgt. Mit der beschriebenen Konfiguration ergibt sich vorteilhaft eine relativ lineare Sensorkennlinie zwischen Beschleunigungswerten von 0 und 10 g mit einer Empfindlichkeit von etwa 1 %/g. It is advantageous if the distance between the glass fiber and the mirror is between 25 and 75 μm. The described configuration advantageously results in a relatively linear sensor characteristic between acceleration values of 0 and 10 g with a sensitivity of approximately 1% / g.

Zur Vereinfachung des Aufbaus sind alle Elemente des Sensorkopfes vorzugsweise zylindersymmetrisch ausgeführt. Der zylindrische Sensor wird dann in einen rechteckigen Block eingesetzt. Als Zuleitung fungiert beispielsweise ein Teflonschlauch von 3–5 mm Durchmesser, in dem die Glasfaser lose verlegt ist. Am Ende der Zuleitung befindet sich ein Stecker für Lichtwellenleiter, beispielsweise Typ FC-APC oder E-2000. For ease of construction, all elements of the sensor head are preferred executed cylindrically symmetric. The cylindrical sensor is then inserted into a rectangular block. The supply line is, for example, a Teflon tube of 3-5 mm diameter, in which the glass fiber is loosely laid. At the end of the cable is a plug for optical fibers, for example, type FC-APC or E-2000.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Dabei zeigen Preferred, but by no means limiting embodiments of the invention will now be described with reference to the figures of the drawing. The features are schematized and not necessarily to scale. Show

1 einen faseroptischen Vibrationssensor mit einem Spiegel, 1 a fiber optic vibration sensor with a mirror,

2 einen Ausschnitt des faseroptischen Vibrationssensors in vergrößerter Darstellung mit einem GaAs-Element auf der Faser, 2 a section of the fiber optic vibration sensor in an enlarged view with a GaAs element on the fiber,

3 einen Ausschnitt des faseroptischen Vibrationssensors in vergrößerter Darstellung mit einem GaAs-Element auf dem Spiegel, 3 a section of the fiber optic vibration sensor in an enlarged view with a GaAs element on the mirror,

4 einen Ausschnitt des faseroptischen Vibrationssensors in vergrößerter Darstellung mit einem optischen Resonator auf dem Spiegel. 4 a section of the fiber optic vibration sensor in an enlarged view with an optical resonator on the mirror.

Der in 1 gezeigte faseroptische Vibrationssensor 10 umfasst als ein wesentliches Element eine Glasfaser 11. Diese ist als Multimode-Faser 62/125 µm ausgeführt. Ein 16 mm langer Abschnitt der Glasfaser 11 ist freistehend. Am Ende dieses Abschnitts endet die Glasfaser 11. Im Anschluss an den freistehenden Abschnitt ist die Glasfaser 11 in einem Führungselement 16 fixiert. Im weiteren Verlauf ist die Glasfaser 11 lose in einem 3,7 mm durchmessenden Teflonschlauch 15 geführt. The in 1 shown fiber optic vibration sensor 10 comprises as an essential element a glass fiber 11 , This is designed as a multimode fiber 62/125 microns. A 16 mm long section of fiberglass 11 is detached. At the end of this section the fiber ends 11 , Following the freestanding section is the fiberglass 11 in a guide element 16 fixed. In the further course is the glass fiber 11 loose in a 3.7 mm diameter Teflon tube 15 guided.

Das Ende des Teflonschlauchs 15 ist zusammen mit dem Führungselement 16 von einer ersten Hülse 19 umfasst. Um die erste Hülse 19 ist eine zweite Hülse 12 vorgesehen. Die zweite Hülse 12 erstreckt sich vom Bereich der ersten Hülse über den freistehenden Abschnitt der Glasfaser 11 hinweg. Stirnseitig, d.h. dort, wo die Glasfaser 11 endet, findet die zweite Hülse 12 einen unter einem Winkel von 11° angeschrägten Abschluss, der sich bei der zylinderförmigen zweiten Hülse 12 in einem kreisringförmigen, angeschrägten Ende 17 zeigt. Die zweite Hülse 12 selbst ist an dieser Stelle offen, wird aber durch einen Al-Glas-Spiegel 14 abgeschlossen. Der Al-Glas-Spiegel 14 ist per Klebung auf dem abgeschrägten Ende befestigt, so dass der Al-Glas-Spiegel 14 selbst schräg zur Normal-Ebene der Faserachse angebracht ist. The end of the Teflon tube 15 is together with the guide element 16 from a first sleeve 19 includes. To the first sleeve 19 is a second sleeve 12 intended. The second sleeve 12 extends from the region of the first sleeve over the free-standing portion of the optical fiber 11 time. Front side, ie where the glass fiber 11 ends, finds the second sleeve 12 a beveled at an angle of 11 ° degree, located at the cylindrical second sleeve 12 in an annular, bevelled end 17 shows. The second sleeve 12 itself is open at this point, but is replaced by an al-glass mirror 14 completed. The al-glass mirror 14 is glued to the beveled end, leaving the Al glass mirror 14 even obliquely attached to the normal plane of the fiber axis.

Ein quaderförmiges Element 13 umschließt den bisher beschriebenen Aufbau von der Höhe des Al-Glas-Spiegel 14 bis zur ersten Hülse 19. Durch die Hülsen 19, 12 und das quaderförmige Element 13 sowie den Al-Glas-Spiegel 14 und das Führungselement 16 wird der freistehende Abschnitt der Glasfaser 11 völlig von der Außenwelt abgeschlossen, so dass keine Störeinflüsse von außen auf eine Messung wirken. A cuboid element 13 encloses the previously described structure of the height of the Al-glass mirror 14 until the first sleeve 19 , Through the sleeves 19 . 12 and the cuboidal element 13 as well as the Al-glass mirror 14 and the guide element 16 becomes the freestanding section of the fiberglass 11 Completely closed from the outside world, so that no external interference affects a measurement.

Das quaderförmige Element 13 und die Hülse 12 können auch zu einem einzigen Bauelement verschmolzen sein. The cuboidal element 13 and the sleeve 12 can also be fused into a single component.

Eine vergrößerte, aber nicht maßstabsgetreue Darstellung des Endes der Glasfaser 11 in Relation zum Al-Glas-Spiegel 14 zeigt die 2. Das freistehende Ende der Glasfaser 11 ist dabei mit einem GaAs-Kristallelement 25 abgeschlossen, so dass einfallendes und ausfallendes Licht das GaAs-Kristallelement 25 passieren muss. In die Glasfaser 11 eingestrahltes Licht durchläuft also das GaAs-Kristallelement 25 und tritt aus diesem aus in eine Freistrahlstrecke. Am Al-Glas-Spiegel 14 wird das Licht reflektiert und ein Teil des Lichts tritt wieder in das GaAs-Kristallelement 25 ein und danach zurück in die Glasfaser 11. An enlarged but not to scale representation of the end of the fiber 11 in relation to the Al-glass mirror 14 show the 2 , The freestanding end of the fiberglass 11 is doing with a GaAs crystal element 25 so that incident and precipitating light is the GaAs crystal element 25 must happen. In the glass fiber 11 irradiated light thus passes through the GaAs crystal element 25 and exits from this into a free jet route. At the Al glass mirror 14 the light is reflected and part of the light re-enters the GaAs crystal element 25 one and then back into the fiber 11 ,

Der Al-Glas-Spiegel 14, der in der gezeigten Vergrößerung in 2 nicht mehr vollständig abgebildet ist, ist in einem Winkel 18 von 11° zur Normalebene der Glasfaserachse angeordnet. Der Abstand 21 zwischen dem Ende der Glasfaser 11 und dem Al-Glas-Spiegel 14 beträgt in diesem Beispiel 50 µm. The al-glass mirror 14 which in the magnification shown in 2 is not fully pictured, is at an angle 18 of 11 ° to the normal plane of the fiber axis. The distance 21 between the end of the fiber 11 and the Al-glass mirror 14 is 50 microns in this example.

Diese Ausführungsvariante beruht auf dem Prinzip der Temperaturabhängigkeit des Bandabstandes des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs). Ist die Energie eines Photons größer als die Energiedifferenz zwischen Leitungs- und Valenzband des Halbleiters, wird es absorbiert. Bei einer Temperaturerhöhung verringert sich die Energiedifferenz der Bandlücke, wodurch Photonen schon mit weniger Energie absorbiert werden. This embodiment is based on the principle of the temperature dependence of the band gap of the semiconductor gallium arsenide (GaAs). If the energy of a photon is greater than the energy difference between the conduction and valence bands of the semiconductor, it is absorbed. With a temperature increase, the energy difference of the band gap decreases, whereby photons are already absorbed with less energy.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das am Al-Glas-Spiegel 14 reflektierte Spektrum beispielsweise mittels eines Spektrometers ausgewertet. Die spektrale Lage der Absorptionskante zeigt deutlich, ab welcher Wellenlänge bzw. ab welcher Energie Photonen nicht mehr absorbiert werden können. Gleichzeitig kann über das Spektrometer ausgewertet werden, welcher Anteil des nicht von der Absorptionskante betroffenen Lichts den Weg zum Detektor findet, d.h. welche Vibrationen vorliegen. In the present embodiment, the Al glass mirror 14 reflected spectrum, for example, evaluated by means of a spectrometer. The spectral position of the absorption edge clearly shows from which wavelength or from which energy photons can no longer be absorbed. At the same time it can be evaluated via the spectrometer, which share of the light not affected by the absorption edge finds its way to the detector, ie which vibrations are present.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt 3. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Ende der Glasfaser 11 durch einen Bruch abgeschrägt. Dadurch werden Rückreflexionen am Ende der Glasfaser 11 selbst stark verringert. Der Winkel 20 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 8°. Der Al-Glas-Spiegel 14 aus dem ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbeispiel ersetzt durch einen GaAs-Spiegel 31. A second embodiment shows 3 , In the second embodiment, the end of the glass fiber 11 bevelled by a break. This will return reflections at the end of glass fiber 11 even greatly reduced. The angle 20 is 8 ° in this embodiment. The al-glass mirror 14 from the first embodiment is replaced by a GaAs mirror in the second embodiment 31 ,

Der GaAs-Spiegel 31 ist in einem Winkel 18 von 11° zur Normalebene der Glasfaserachse angeordnet. Der Abstand 21 zwischen dem Ende der Glasfaser 11 und dem GaAs-Spiegel 31 beträgt in diesem Beispiel 50 µm. Die Abschrägungen vom GaAs-Spiegel 31 und der Glasfaser 11 sind so aufeinander ausgerichtet, dass sie den maximalen Winkel zueinander einschließen. Von der Seite betrachtet wie in 3 bilden die Flächen durch ihre relative Lage dabei die Form eines „V“. The GaAs mirror 31 is at an angle 18 of 11 ° to the normal plane of the fiber axis. The distance 21 between the end of the fiber 11 and the GaAs mirror 31 is 50 microns in this example. The bevels from the GaAs mirror 31 and the fiberglass 11 are aligned so that they enclose the maximum angle to each other. Seen from the side as in 3 Due to their relative position, the surfaces form the shape of a "V".

Der GaAs-Spiegel 31 selbst umfasst an seiner der Glasfaser 11 zugewandten Seite eine Antireflektionsschicht 28, die die Reflektion von Licht ohne Durchtritt durch das GaAs verringert. An der der Glasfaser 11 abgewandten Seite weist der GaAs-Spiegel 31 eine hochreflektierende Schicht 24 auf, um die Funktion des Spiegels zu gewährleisten. Die hochreflektierende Schicht kann aus einem oder mehreren Schichtmaterialien oder mehreren Schichtfolgen bestehen. Beispielsweise kann die hochreflektierende Schicht eine Reflektionsschicht aus Aluminium, Silber oder Gold umfassen, die durch eine schützende Schicht aus SiO2 bedeckt werden. Eine weitere Möglichkeit sind dielektrische Schichtfolgen aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, welche für bestimmte Wellenlängen eine durch Vielstrahlinterferenz bedingte hochreflektierende Schicht ergeben. The GaAs mirror 31 itself includes at its the glass fiber 11 facing side an anti-reflection layer 28 which reduces the reflection of light without passing through the GaAs. At the glass fiber 11 opposite side has the GaAs mirror 31 a highly reflective layer 24 on to ensure the function of the mirror. The highly reflective layer may consist of one or more layer materials or multiple layer sequences. For example, the highly reflective layer may comprise a reflective layer of aluminum, silver or gold covered by a protective layer of SiO 2. Another possibility is dielectric layer sequences of materials with different refractive indices, which for certain wavelengths result in a high-reflection layer due to multiple-beam interference.

Alternativ kann der GaAs-Spiegel einen Spiegel wie beispielsweise den im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Al-Glas-Spiegel 14 umfassen, auf dem ein GaAs-Kristall angeordnet ist. Der GaAs-Kristall kann beispielsweise auf den Al-Glas-Spiegel 14 geklebt sein, wobei der Al-Glas-Spiegel 14 zugleich als Träger dient. Auch hier sind die genannten hochreflektierenden Schichten geeignet, die gegebenenfalls auf eine haftvermittelnde Schicht wie Chrom aufgebracht werden, wobei diese beispielsweise auf ein geeignetes Glas- oder Saphirsubstrat aufgebracht werden können. Die Schichten können beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht sein. Alternatively, the GaAs mirror may be a mirror such as the Al glass mirror used in the first embodiment 14 on which a GaAs crystal is arranged. The GaAs crystal, for example, on the Al-glass mirror 14 be glued, with the al-glass mirror 14 at the same time serves as a carrier. Again, the above-mentioned highly reflective layers are suitable, which are optionally applied to an adhesion-promoting layer such as chromium, which can be applied, for example, to a suitable glass or sapphire substrate. The layers can be applied, for example, by vapor deposition or sputtering.

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird ist der Aufbau des Sensors weiterhin dahingehend gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel geändert, dass zwei Leuchtdioden als Lichtquelle zum Einsatz kommen. Dabei erzeugt eine erste Leuchtdiode Licht im Wellenlängenbereich von 1500 nm. Für dieses Licht ist der GaAs-Kristall im Wesentlichen transparent. Eine zweite Leuchtdiode erzeugt Licht von ca. 900 nm Wellenlänge. Dieses wird stark von der Absorption das GaAs und vor allem von der Änderung der Absorption durch die Temperatur beeinflusst. In the second embodiment, the structure of the sensor is further changed from the first embodiment in that two light emitting diodes are used as the light source. In this case, a first light-emitting diode generates light in the wavelength range of 1500 nm. For this light, the GaAs crystal is substantially transparent. A second light-emitting diode generates light of about 900 nm wavelength. This is strongly influenced by the absorption of the GaAs and above all by the change of the absorption by the temperature.

Hierbei kann das Licht der beiden Leuchtdioden in der Glasfaser 11 geführt werden, indem beide Lichtquellen beispielsweise mittels eines geeigneten faseroptischen Kopplers in die Glasfaser 11 eingekoppelt werden. Das reflektierte Licht kann wiederum mittels eines geeigneten faseroptischen Kopplers in unterschiedliche Detektionskanäle der Auswerteeinheit geführt werden. Durch Vorschalten eines geeigneten Filters vor eine Photodiode kann der kurzwellige, temperaturabhängige Anteil des reflektierten Spektrums bei 850–900nm unterdrückt werden und nur der amplitudenmodulierte Anteil des Lichts zur Auswertung des Beschleunigungssignales herangezogen werden. Here, the light of the two LEDs in the glass fiber 11 be guided by both light sources, for example by means of a suitable fiber optic coupler in the glass fiber 11 be coupled. The reflected light can in turn be guided by means of a suitable fiber-optic coupler into different detection channels of the evaluation unit. By connecting a suitable filter in front of a photodiode, the short-wave, temperature-dependent component of the reflected spectrum at 850-900 nm can be suppressed and only the amplitude-modulated component of the light can be used to evaluate the acceleration signal.

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Hierbei ist der Al-Glas-Spiegel 14 aus dem ersten Ausführungsbeispiel ersetzt durch ein Fabry-Perot-Etalon 45. Diese Ausführungsvariante beruht auf dem Prinzip der Interferometrie, wobei zwei teilreflektierende Spiegel hoher Reflektivität einen optischen Resonator bilden und den Etalon abschließen. Das Medium zwischen den Spiegeln kann beispielsweise Luft, Glas oder ein anderes geeignetes Material sein. Durch Mehrfachreflektion und konstruktive Überlagerung bilden sich spektral schmale Transmissionsmaxima aus, welche der Resonanzbedingung genügen müssen. Der Abstand einzelner Transmissionsmaxima ist im Wesentlichen vom Abstand der Spiegelflächen und dem Brechungsindex des durchlaufenen Etalons abhängig, wobei sowohl der Spiegelabstand als auch der Brechungsindex temperaturabhängig sind. Durch eine geschickte Wahl der Materialstärke, der Oberflächenbeschichtung und des Brechungsindex kann die Finesse und damit die Resonanzüberhöhung eingestellt werden. A third embodiment is in 4 shown. Here is the Al-glass mirror 14 from the first embodiment replaced by a Fabry-Perot etalon 45 , This embodiment is based on the principle of interferometry, wherein two partially reflecting mirror high reflectivity form an optical resonator and complete the etalon. The medium between the mirrors may be, for example, air, glass or another suitable material. Due to multiple reflection and constructive superposition spectrally narrow transmission maxima form, which must satisfy the resonance condition. The distance of individual transmission maxima is essentially dependent on the distance between the mirror surfaces and the refractive index of the etalon passed through, with both the mirror distance and the refractive index being temperature-dependent. By a clever choice of material thickness, surface coating and refractive index finesse and thus the resonance peak can be adjusted.

Im dritten Ausführungsbeispiel ist auf der Rückseite des Etalons, die der Glasfaser 11 abgewandt ist, eine hochreflektierende Schicht angeordnet. Diese kann die teilreflektierende Schicht des Etalons ergänzen oder ersetzen. Die hochreflektierende Schicht kann dabei wie im zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut sein. Wie das GaAs im zweiten Ausführungsbeispiel kann auch das Etalon einen Spiegel wie beispielsweise einen Al-Glas-Spiegel 14 geklebt werden, der als Träger dient. In the third embodiment is on the back of the etalon, which is the fiberglass 11 turned away, arranged a highly reflective layer. This can supplement or replace the partially reflecting layer of the etalon. The highly reflective layer can be constructed as in the second embodiment. Like the GaAs in the second embodiment, the etalon may also include a mirror such as an Al-glass mirror 14 be glued, which serves as a carrier.

Die Signalauswertung kann beispielsweise durch Spektrometer oder geeignete Filterkombinationen von Bandpass, Langpass- und/oder Kurzpass-Filtern erfolgen. Dadurch kann der temperaturabhängige Anteil des reflektierten Spektrums ausgewertet werden. Falls die Temperatur als eigenständiges Messsignal benötigt wird, kann sie so ermittelt werden. The signal evaluation can be done for example by spectrometers or suitable filter combinations of bandpass, longpass and / or shortpass filters. As a result, the temperature-dependent component of the reflected spectrum can be evaluated. If the temperature is needed as an independent measurement signal, it can be determined this way.

ln einer vorteilhaften Ausführung wird der temperaturabhängige Anteil des reflektierten Spektrums durch einen faseroptischen Koppler auf zwei Detektionskanäle mit je einer Photodiode aufgeteilt. Jeder Detektionskanal enthält hierbei einen geeigneten Kantenfilter vor der Photodiode. Durch ein Quotientenverfahren zur Auswertung der beiden Detektionskanäle kann aus der temperaturabhängigen spektralen Form des reflektierten Spektrums auf die Temperatur am Sensorort geschlossen werden. Durch ein Kalibrierverfahren bei unterschiedlichen Temperaturpunkten und Beschleunigungswerten wird ein funktionaler Zusammenhang beider Größen erstellt, wobei die temperaturkompensierten Beschleunigungswerte durch Interpolationsverfahren auch für nicht einkalibrierte Zwischenwerte berechnet werden können. In an advantageous embodiment, the temperature-dependent component of the reflected spectrum is split by a fiber-optic coupler into two detection channels, each with a photodiode. Each detection channel contains a suitable edge filter in front of the photodiode. By a quotient method for evaluating the two detection channels can be concluded from the temperature-dependent spectral shape of the reflected spectrum to the temperature at the sensor location. By a calibration procedure at different temperature points and acceleration values, a functional relationship of both quantities is created, whereby the temperature-compensated acceleration values can be calculated by interpolation methods also for non-calibrated intermediate values.

Claims

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) with - an optical fiber ( 11 ), which has a free-standing end, wherein the freestanding end is vibrated under the influence of vibrations, and these vibrations are detected as a measure of the vibrations, - a light source for emission of visible, ultraviolet or infrared light into the optical fiber ( 11 ) at a free end of the free end of the fiber ( 11 ), - a mirror ( 14 . 24 . 45 ), which is arranged, a portion of light emerging from the free-standing end in the optical fiber ( 11 ), - a detection device for receiving reflected light at the end facing away from the freestanding end of the fiber ( 11 ), characterized by - one in the beam path of the light outside the optical fiber ( 11 ) arranged absorption element ( 25 . 31 . 45 ) with a temperature-dependent optical property, - an evaluation device, designed to determine the temperature of the solid-state element ( 25 . 31 . 45 ) from spectral changes of the light as well as for the determination of vibrations from intensity changes of the light.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to claim 1, wherein the absorption element ( 25 . 31 . 45 ) comprises a solid.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the absorption element ( 25 . 31 . 45 ) Gallium arsenide.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the absorption element ( 25 . 31 . 45 ) comprises an optical resonator.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the absorption element ( 25 . 31 . 45 ) a highly reflective layer ( 24 ), which acts as a mirror ( 14 . 24 ) serves.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the absorption element ( 25 ) at the end of the free-standing end of the optical fiber ( 11 ) is arranged.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the length of the freestanding end is between 12 and 18 mm, in particular between 15 and 17 mm.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims with an optical fiber ( 11 ) with the dimensions 62/125 microns.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the end face of the freestanding end is interrupted by a breakage of the optical fiber ( 11 ) is formed, which has an angle of between 5 ° and 11 °, in particular between 7 ° and 9 °, to the plane which is perpendicular to the fiber axis.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the breakage of the optical fiber ( 11 ) and the mirror ( 14 . 24 . 45 ) are aligned parallel to each other or in opposite directions.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the distance between the fiber termination surface and the mirror ( 14 . 24 . 45 ) is between 25 μm and 75 μm.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which only the weight of the optical fiber ( 11 ) or only the weight of the optical fiber ( 11 ) with absorption element ( 25 ) serves.

Fiber optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims with two or more light sources, wherein the light of one of the light sources is in a wavelength range that is substantially unaffected by the temperature-dependent optical property.

Fiberoptic Vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims with a fiber optic coupler for splitting the reflected light into two detection channels and one optical filter per detection channel.

Electric machine, in particular a generator, with at least one fiber-optic vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims.