-
Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Langasit-Kristalls und/oder dessen isomorphe Verbindungen gemäß Anspruch 19, sowie die Verwendung eines Sensors gemäß Anspruch 16. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Abgassystem gemäß Anspruch 17, ein Fahrzeug gemäß Anspruch 18, sowie ein Messverfahren zum Nachweis des piezo-optischen Effekts gemäß Anspruch 20.
-
Sensoren mit piezoelektrischen Materialien sind bekannt und werden in der Industrie vielfältig eingesetzt. Derartige Sensoren können beispielsweise als Temperatur-, Masse-, Gas-, Druck-, Beschleunigungs- und chemische Sensoren verwendet werden. Der piezoelektrische Effekt beschreibt allgemein das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern bei deren elastischer Verformung. In der gegenläufigen Betrachtung können sich Festkörper bei Anlegen einer elektrischen Spannung verformen.
-
Durch die Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole aus. Dies bedeutet eine Verschiebung der Ladungsschwerpunkte und damit ein Auftreten eines elektrischen Feldes im Material. Dieses elektrische Feld ist von messbarer Stärke. Wie jeder andere Festkörper können auch piezoelektrische Körper mechanische Schwingungen ausführen. Diese Schwingungen sind elektrisch anregbar und bewirken ihrerseits wiederum eine elektrische Spannung.
-
Herkömmliche piezoelektrische Materialien sind durch Kristalle, insbesondere Quarz, gebildet. Diese werden mittels angelegten Elektroden zu Schwingungen angeregt. Es handelt sich häufig um sogenannte Dickenschwinger oder Scherschwinger, aber auch Oberflächenwellen im Kristall lassen sich durch bestimmte Elektrodenformen erreichen.
-
Jedoch können Sensoren, welche aus Materialien mit Quarz gebildet sind, nur bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Oberhalb einer Temperaturgrenze von annähernd 570° setzt eine Phasenumwandlung von Quarz ein. Der Quarzkristall wandelt sich kristallographisch um und verliert seine piezoelektrischen Eigenschaften. Die Phasenumwandlung von Quarz setzt daher eine feste obere Anwendungsgrenze. Doch auch bereits bei niedrigeren Temperaturen ist der sogenannte Gütefaktor des Quarzes für viele Anwendungen unzureichend.
-
Der Gütefaktor beschreibt den Energieverlust eines zu Schwingungen fähigen Materials. Die im Quarz auftretenden elektrischen oder mechanischen Verluste verursachen eine Dämpfung der Schwingungen im Material. Der Gütefaktor kann beispielsweise durch Verspannungen aufgrund der Halterungen des Materials oder unangepasste Geometrien der angelegten Elektroden beeinflusst werden. Beispielsweise gilt, dass die Elektroden für eine geringe Dämpfung des piezoelektrischen Materials eine möglichst geringe Dicke aufweisen müssen. Die bekannte Dicke der Elektroden liegt bei Dickenschwingern im Bereich von Mikrometern, bei Sensoren mit Materialien, welche zu Oberflächenwellen angeregt werden, liegt die Dicke der Elektroden zweckmäßigerweise im nm-Bereich. Derartig dünne Elektroden sind kostenintensiv und weisen nicht zwingenderweise eine gute Temperaturstabilität bei sehr hohen Temperaturen auf. Dies schränkt die Einsetzbarkeit des Sensors stark ein.
-
Zusätzlich kann es bei einem nicht vollständig mit Elektroden beschichteten piezoelektrischen Material zu unerwünschten Scherschwingungen kommen. Da das angelegte elektrische Feld nur überwiegend im Bereich zwischen den Elektroden lokalisiert ist, ist die Kopplung zwischen dem zu Schwingungen angeregten Bereich des piezoelektrischen Materials und einem Randbereich gestört. Die angeregte Schwingung kann sich daher nicht ungehindert in den Randbereich ausbreiten. Es entstehen Inhomogenitäten in der räumlichen Verteilung der Schwingungen.
-
Die Funktionsweise eines Sensors mit einem von Elektroden angeregten piezoelektrischen Materials kann daher nachhaltig beeinträchtigt werden. Bei herkömmlichen Sensoren mit piezoelektrischen Materialien ist demnach eine aufwendige und positionsgenaue Justierung der Elektroden erforderlich.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor anzugeben, wobei die Anregung einer mechanischen Schwingung weniger störenden Einflüssen unterliegt als bei der bekannten piezoelektrischen Anregung durch Elektroden.
-
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Sensor mit wenigstens einer Lichtquelle, wenigstens einem piezo-optischen Kristall und wenigstens einer Messeinheit anzugeben, wobei ein Lichtsignal der Lichtquelle vom Kristall absorbierbar ist und der Kristall mit der Messeinheit gekoppelt ist.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Anregung des Kristalls nicht mehr elektrisch, sondern optisch erfolgt. Hierzu wird ein Lichtsignal geeigneter Wellenlänge der Lichtquelle vom Kristall absorbiert. Die Absorption des Lichtsignals kann vorzugsweise im Kristallinneren und/oder an der Oberfläche erfolgen. Durch die Bestrahlung des Kristalls mit einem Lichtsignal geeigneter Wellenlänge ist kein aufwendiges Justieren und eine platzeinnehmende Verdrahtung von Elektroden notwendig. Die Bestrahlung des Kristalls kann idealerweise über die gesamte Kristallfläche erfolgen. Dadurch ist eine homogene Schwingungsanregung gewährleistet. Da die optische Anregung des Kristalls berührungslos und damit ohne das Anbringen von Elektroden an den Kristall erfolgen kann, ist das Risiko von Scherschwingungen und Dämpfungsverlusten daher deutlich reduziert.
-
Im Rahmen der Anmeldung kann der Begriff des Sensors auch gleichbedeutend mit einem Sensorsystem anzusehen sein. Das Sensorsystem, oder mit anderen Worten die Sensoranordnung, umfasst hierbei die wenigstens eine Lichtquelle, den wenigstens einen piezo-optischen Kristall, sowie die wenigstens eine Messeinheit.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Vorteilhafterweise weist die Lichtquelle ein periodisch aussendbares Lichtsignal auf, welches der mechanischen Schwingungsanregung des Kristalls dient. Der Kristall ist durch eine geeignete Rückkoppelung des periodischen Lichtsignals zu einer Resonanzschwingung anregbar. Die Anregung von mechanischen Schwingungen eines Kristalls mittels eines Lichtsignals wird hier als piezo-optischer Effekt bezeichnet. Weiterhin wird der Kristall, welcher durch Absorption eines Lichtsignals geeigneter Wellenlänge zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, als piezo-optisches Material bezeichnet.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kristall einen Einkristall. Einkristalle weisen im Vergleich zu herkömmlichen Kristallen nur eine geringe Anzahl an Strukturfehlern auf. Daher besitzen sie eine hohe mechanische Belastbarkeit. Das homogene Kristallgitter des Einkristalls ermöglicht eine wirkungsvolle Absorption der Lichtsignale.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kristall einen Langasit-Kristall und/oder dessen isomorphe Verbindungen. Langasit (La3Ga5SiO14) und dessen Isomorphe, also Kristalle aus der Langasit-Familie, weisen eine hohe Temperaturstabilität bei Temperaturen über 1000°C über einen langen Zeitraum auf. Insbesondere lassen sich Langasit und/oder dessen isomorphe Verbindungen bis nahe an ihren Schmelzpunkt von 1470 °C piezoelektrisch und piezo-optisch anregen. Bis zu besagtem Schmelzpunkt findet keine kristallographische Phasenumwandlung statt. Langasit und/oder dessen isomorphe Verbindungen sind daher in ihren piezoelektrischen Eigenschaften besonders stabil und zur Verwendung in Sensoren besonders geeignet. Generell sind im Rahmen der Anmeldung mit dem Begriff des Langasits oder des Langasit-Kristalls auch jene Kristalle der Langasit-Familie, also isomorphe Verbindungen des Langasits, offenbart.
-
Langasit ist generell kommerziell erhältlich und kann aufgrund der fehlenden Phasenumwandlung und hohen Temperaturstabilität mittels des sogenannten Czochralski-Verfahrens zur Kristallzüchtung von Einkristallen direkt aus der Schmelze gezogen werden. Die Herstellung der Langasit-Kristalle ist daher einfach möglich.
-
Allgemein besitzt Langasit eine hohe piezoelektrische Empfindlichkeit und eine geringe Dämpfung. Langasit weist beispielsweise einen größeren piezoelektrischen Koeffizienten als Quarz auf. Daher ist Langasit besonders geeignet und für Sensoren mit piezoelektrischen Materialien verwendbar. Sensoren mit einem Langasit-Kristall können daher im Vergleich zu konventionellen piezoelektrischen Materialien wie Quartz auch in extrem hohen Temperaturbereichen eingesetzt werden. Neben dem hohen Schmelzpunkt zeigt Langasit auch eine gute Stabilität gegenüber oxidierenden und reduzierenden Atmosphären und bildet somit ein aussichtsreiches Basismaterial zum Aufbau von Sensoren für extreme Umgebungsbedingungen. Anwendungen für die Hochtemperatur-Sensorik, wie beispielsweise Hochtemperatur-Gassensoren, werden dadurch möglich. Durch die sehr hohe Schmelztemperatur des Langasits und der gleichbleibenden Kristallstruktur im gesamten Temperaturbereich, ist ein besonders großer Einsatzbereich von Sensoren mit einem Langasit-Kristall gegeben.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kristall als ein Dickenschwinger oder ein Gabelschwinger ausgebildet sein. Dickenschwinger oder auch Dehnungsschwinger sind plattenförmige Schwinger, welche bevorzugt in Richtung ihrer Längsachse schwingen. Zur Erzielung bestimmter Eigenschaften der anregbaren Resonanzfrequenz, wie beispielsweise eine minimale Temperaturabhängigkeit oder allgemein einer guten Anregbarkeit einer bestimmten Schwingungsform, ergeben sich effiziente Schnittwinkel der Kristalle.
-
Vorzugsweise ist der Kristall in Form einer Stimmgabel gebildet. Die Stimmgabel kann hierzu als Biegeschwinger ausgebildet sein. Hierbei können auch höhere Schwingungsmoden angeregt werden. Es ist generell jede Art von Schwingern einsetzbar. Die Art des Schwingers richtet sich nach der gewünschten Abhängigkeit der anzuregenden Resonanzfrequenz des Kristalls nach seinen geometrischen Längen- bzw. Breitenangaben.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lichtsignal der Lichtquelle über wenigstens eine Glasfaser an den Kristall heranführbar. Die Glasfaser bildet einen wirkungsvollen Lichtwellenleiter zur Übertragung des Lichtsignals der Lichtquelle. Das Lichtsignal kann somit präzise, positionsgenau und gebündelt an den Kristall herangeführt werden. Die Glasfaser unterliegt generell keinen elektromagnetischen Störeinflüssen, wie beispielsweise die Elektroden bei einer piezoelektrischen Anregung. Des Weiteren unterliegt das durch die Glasfaser geführte Lichtsignal keiner weiteren Störstrahlung, welche zu einer Störung der Anregung des Kristalls führen könnten.
-
Vorteilhafterweise ist das Lichtsignal in der wenigstens einen Glasfaser phasenrichtig rückkoppelbar. Der Kristall wird hierzu über eine erste Glasfaser zu einer Schwingung angeregt. Über eine weitere Glasfaser kann diese Eigenschwingung phasenrichtig rückgekoppelt werden, so dass sich die gewünschte Resonanzschwingung im Kristall aufbaut. Die Rückkoppelung der Eigenschwingung kann hierbei effizient und schnell erfolgen. Alternativ kann diese Rückkoppelung auch über die erste Glasfaser selbst erfolgen. Mit anderen Worten ist das Lichtsignal in der ersten Glasfaser phasenrichtig rückkoppelbar. Hierdurch kann auf eine zusätzliche Glasfaser verzichtet werden. Dies ist insbesondere material- und kostensparend.
-
Vorzugsweise ist die Lichtquelle durch eine Laserdiode gebildet. Die Lichtquelle ist an eine elektrische Strom und/oder Spannungsquelle angeschlossen. Die Lichtquelle emittiert vorzugsweise ein Lichtsignal einer bestimmten Wellenlänge, mit der der Kristall zu mechanischen Schwingungen anregbar ist. Hierbei kann das Lichtsignal monochromatisches Licht geeigneter Wellenlänge sein. Dies hat den Vorteil, dass das emittierte Licht bei genau definierter Wellenlänge optimal auf den Kristall abgestimmt ist. Es ist weiterhin denkbar, dass die Lichtquelle auch als eine breitbandige Lichtquelle ausgebildet ist, welche mit einem optischen Bandfilter ausgerüstet ist. Dadurch kann ebenso ein Lichtsignal mit gewünschter Wellenlänge realisiert werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messeinheit ein Interferometer, insbesondere ein Michelson-Interferometer oder ein Laser-Doppler-Vibrometer. Der Kristall ist vorzugsweise mit der Messeinheit gekoppelt. Mittels der Messeinheit ist die Schwingung des Kristalls nachweisbar und messbar.
-
Vorteilhafterweise ist durch das Interferometer die Resonanzfrequenz des Kristalls mittels einer phasenverschobenen Interferenz messbar. Hierzu wird die mechanische Auslenkung des Kristalls bestimmt. Mit anderen Worten wird die mechanisch angeregte Schwingung des Kristalls als eine Bewegung eines Kristallabschnitts interferometrisch erfasst. Beispielhaft kann der Kristall als Stimmgabel ausgebildet sein. Über den Fuß der Stimmgabel können die mechanischen Bewegungen aufgrund der Schwingung mittels optischer Elemente nachgewiesen werden. Eine Messung der räumlichen Verteilung der Schwingungsamplitude kann zusätzlich Auskunft über weitere vorhandene Schwingungsmoden geben.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Interferometer eine monochromatische Lichtquelle, wenigstens zwei Spiegel, einen Strahlteiler und einen Fotodetektor auf. Der Strahlteiler kann einen von der monochromatischen Lichtquelle kommenden Lichtstrahl in Teilstrahlen aufteilen, welche von einem ortsfesten ersten Spiegel und von einem am Kristall angebrachten zweiten Spiegel zu dem Strahlteiler zurück reflektierbar sind, derart, dass sich die reflektierten Teilstrahlen zum Empfang in einem Fotodetektor wieder vereinen. Durch die mechanische Schwingung des Kristalls entsteht ein phasenverschobenes Interferenzmuster, welches mit dem Fotodetektor messbar ist.
-
Das Grundprinzip des Interferometers basiert auf einer Phasenverschiebung des Lichtstrahls. Die monochromatische Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl mit einer bestimmten Wellenlänge. Dieser Lichtstrahl wird von dem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Diese werden von den Spiegeln in sich selbst zurückreflektiert und am Strahlteiler wieder vereinigt. Die vereinigten Strahlen werden auf den Fotodetektor fokussiert und gemessen.
-
Ist die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen ein ganzzahliges Vielfaches von 2π, dann treffen diese ohne Gangunterschied auf dem Fotodetektor auf und verstärken sich. Bei einem Phasenunterschied entsprechend einem ungeradzahligen Vielfachen von π verlaufen die beiden Teilstrahlen gegenphasig und löschen sich aus. Wenn der Kristall optisch zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird, verändert sich auch die Position des am Kristall angebrachten Spiegels. Mit dem Interferometer kann somit eine Ortsänderung zwischen den beiden Spiegeln detektiert werden. Dazu muss sichergestellt werden, dass sich nur jeweils einer der beiden Spiegel verschiebt. Aufgrund der Bewegung bzw. des zugrunde liegenden Dopplereffektes weist das von dem Kristall reflektierte Licht periodische Änderungen der Wellenlänge auf. Mit anderen Worten lässt sich durch eine Überlagerung des ausgesendeten Laserstrahls mit dem reflektierten Strahl in einem Interferometer eine periodische Wegänderung erfassen. Daraus kann die Resonanzfrequenz des schwingenden Kristalls bestimmt werden. Durch die auftretende Interferenz am Fotodetektor ist somit auch die angeregte Schwingung des Kristalls nachweisbar. Somit kann der piezooptische Effekt effizient nachgewiesen werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor in einem temperaturstabilen Gehäuse für Temperaturen bis circa 1500°C, insbesondere bis 1470°C, angeordnet. Dadurch ist der Sensor bis zu einer Temperatur geschützt, welche annähernd dem Schmelzpunkt von Langasit entspricht. Der Sensor ist in dem Gehäuse geschützt gelagert. Ein Eindringen von Schmutz kann daher effizient vermieden werden. Auch ist der Sensor in dem Gehäuse vor schädlichen äußeren Beschädigungen oder temperaturbedingten Einflüssen geschützt. Dadurch kann die wirkungsvolle Funktionsweise des Sensors gewährleistet werden.
-
Vorzugsweise weist das Gehäuse eine Blende auf, wobei die Blende für Partikel, insbesondere Ruß, mit einer Partikelgröße von 10 bis 300 nm durchlässig ist. Grobkörniger Schmutz kann nicht durch die Blende in das Gehäuse eindringen. Der Sensor ist daher vor unerwünschten Ablagerungen geschützt. Das Gehäuse kann beispielsweise in einem Abgassystem, insbesondere einem Abgasrohr, einer Verbrennungskraftmaschine angebracht sein. Bei den hohen Druck- und Temperaturverhältnissen eines Dieselzylinders eines Dieselmotors werden Kohlenwasserstoffmoleküle aufgebrochen, wodurch Ruß entstehen kann, welcher nicht so leicht entflammbar ist wie die Kohlenwasserstoffe und deshalb ausgestoßen wird. Bei Dieselmotoren ist die Entstehung von Rußpartikeln unerwünscht, da sie für die Umwelt schädlich sind. Der Ruß enthält nicht nur für den Menschen kanzerogene Substanzen, wie beispielsweise polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, sondern unterbindet auch die katalytische Abgasreinigung. Der Ruß kann bei modernen Motoren aus den Abgasen gefiltert und von Zeit zu Zeit abgebrannt werden. Dennoch ist es notwendig, die vorhandene Rußmenge im Abgassystem zu kontrollieren.
-
Es ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform von Vorteil, dass der Kristall zwischen der Blende und einer Gehäusewand angeordnet ist, derart, dass sich durch die Blende in das Gehäuse eindringende Partikel auf dem Kristall ablagern. Durch die Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Kristall, ändert sich seine Masse. Der Kristall nimmt an Masse zu. Dadurch verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Kristalls. Mit anderen Worten führt die Massenzunahme des Kristalls zu einer Änderung der Resonanzfrequenz. Über die Messeinheit kann die Veränderung der Resonanzfrequenz bestimmt werden. Dadurch lassen sich folglich Rückschlüsse auf die Massenzunahme, und dadurch auf die vorhandene Rußmenge im Abgassystem des Motors ziehen. Somit kann der Sensor nicht nur zur Temperaturmessung des Abgassystems dienen, sondern auch eine Kontrolle der Rußentstehung des Motors ermöglichen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ferner die Verwendung eines Sensors nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen zur Detektion einer Partikeldichte, insbesondere Ruß, in einem Fluidstrom beansprucht. Insbesondere kann der Sensor in einem Abgassystem, beziehungsweise einem Abgasrohr, einer Verbrennungskraftmaschine angebracht werden, um Rückschlüsse auf die vorhandene oder entstehende Rußmenge beim Betrieb der Maschine zu ziehen.
-
Weiterhin wird ein Abgassystem mit einem Sensor nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen, sowie ein Fahrzeug, insbesondere Dieselkraftfahrzeug oder Benzinkraftfahrzeug, mit einem Sensor nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen beansprucht.
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird weiterhin die Verwendung eines Langasit-Kristalls und/oder dessen isomorphe Verbindungen in einem Sensor zum Nachweis einer durch den piezo-optischen Effekt anregbaren Schwingung beansprucht. Da der Langasit-Kristall und/oder dessen isomorphe Verbindungen bis zu hohen Temperaturen stabil sind und sehr gute piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, eignen sie sich besonders für den Nachweis des piezo-optischen Effekts.
-
Ferner wird ein im Rahmen der Erfindung ein Messverfahren zum Nachweis des piezo-optischen Effekts mit einer Anordnung aus einer Lichtquelle, einem piezo-optischen Kristall und einer Messeinheit beansprucht. Hierbei sendet die Lichtquelle im Betrieb ein Lichtsignal aus, welches vom Kristall absorbiert wird und den Kristall zu mechanischen Schwingungen anregt, welche über die Messeinheit, die an den Kristall gekoppelt ist, gemessen wird. Dadurch ist eine einfache und raumsparende Anordnung zum Nachweis und zur Messung des piezooptischen Effektes und seiner Stärke gegeben.
-
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
-
1 eine perspektivische Ansicht eines Langasit-Kristalls eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Langasit-Kristalls 11 eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Kristall 11 ist hierbei Teil eines Sensors mit wenigstens einer hier nicht dargestellten Lichtquelle und wenigstens einer Messeinheit. Ein Lichtsignal der Lichtquelle ist vom Kristall 11 absorbierbar, welcher mit der Messeinheit gekoppelt sein kann.
-
Der Kristall 11 ist beispielhaft in Form einer Stimmgabel 12 ausgebildet. Die Stimmgabel 12 weist einen Fuß 12a und zwei Zinken 12b auf. Die hier nicht dargestellte Messeinheit des Sensors kann beispielsweise mit dem Fuß 12b der Stimmgabel 12 gekoppelt werden. Generell sind für den Kristall 11 die verschiedensten geometrischen Formen denkbar. Die Form des Kristalls 11 richtet sich idealerweise nach dem gewünschten Schwingungsverhalten oder nach einem platzsparenden Aufbau des Sensors.
-
Ein Lichtsignal geeigneter Wellenlänge der hier nicht dargestellten Lichtquelle wird vom Kristall 11 absorbiert. Die Absorption des Lichtsignals kann entweder im Kristallinneren oder an der Oberfläche erfolgen. Beispielhaft kann die Absorption des Lichtsignals über einen oder beide Zinken 12b der Stimmgabel 12 erfolgen. Die Lichtquelle weist zweckmäßigerweise ein periodisch aussendbares Lichtsignal auf, welches der mechanischen Schwingungsanregung des Kristalls 11 dient. Der Kristall 11 ist durch eine geeignete Rückkoppelung des periodischen Lichtsignals zu einer Resonanzschwingung anregbar. Über den Fuß 12a der Stimmgabel 12 können die mechanischen Bewegungen aufgrund der Schwingung mittels der Messeinheit, insbesondere des Interferometers, nachgewiesen werden.
-
Der Kristall 11 kann beispielhaft durch das Czochralski-Verfahren zur Kristallzüchtung von Einkristallen direkt aus der Schmelze hergestellt werden. Da der Kristall 11 beispielhaft durch einen Langasit-Kristall gebildet ist, weist der Kristall 11 eine hohe Temperaturstabilität bis nahe an den Schmelzpunkt von Langasit von 1470 °C auf. Langasit-Kristalle 11 lassen sich sowohl piezoelektrisch als auch piezo-optisch anregen. Bis zu besagtem Schmelzpunkt findet keine kristallographische Phasenumwandlung statt. Langasit ist daher in seinen piezoelektrischen Eigenschaften besonders stabil.
-
2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Sensor umfasst wenigstens eine hier nicht dargestellte Lichtquelle, wenigstens eine Messeinheit und einen Kristall 11, welcher ein Lichtsignal der Lichtquelle absorbiert und mit der Messeinheit gekoppelt sein kann. Der Kristall 11 ist beispielhaft in Form einer Stimmgabel 12 ausgebildet. Die Stimmgabel 12 weist einen Fuß 12a und zwei Zinken 12b auf. Die hier nicht dargestellte Messeinheit des Sensors kann insbesondere mit dem Fuß 12a der Stimmgabel 12 gekoppelt werden.
-
Ein Lichtsignal geeigneter Wellenlänge der hier nicht dargestellten Lichtquelle wird vom Kristall 11 absorbiert. Dadurch wird der Kristall 11 aufgrund des piezo-optischen Effektes zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen sind illustrativ mit den Pfeilen an den Zinken 12b der Stimmgabel 12 dargestellt. Die mechanischen Schwingungen können am Fuß 12a der Stimmgabel 12 interferometrisch erfasst und nachgewiesen werden.
-
Beispielhaft wird das Lichtsignal der Lichtquelle über eine Glasfaser 13 an den Kristall 11 herangeführt. Die Glasfaser 13 bildet hierbei einen wirkungsvollen Lichtwellenleiter zur Übertragung des Lichtsignals der Lichtquelle. Dadurch wird das Lichtsignal präzise, positionsgenau und gebündelt an den Kristall 11 herangeführt. Die Glasfaser 13 ist über eine Absorptionsfläche 14 mit dem Kristall 11 verbunden. Über die Absorptionsfläche 14 kann das Lichtsignal der Lichtquelle vom Kristall 11 absorbiert werden. Die Absorptionsfläche 14 umfasst einen Teilbereich des Zinkens 12b der Stimmgabel 12. Es ist generell denkbar, dass die Absorptionsfläche 14 je nach Größe des Kristalls 11 auch die volle Größe des Zinkens 12b der Stimmgabel 12 umfasst. Die Größe der Absorptionsfläche 14 richtet sich zweckmäßigerweise nach der gewünschten Minimierung der Dämpfung im Kristall 11.
-
Idealerweise wird das Lichtsignal in der Glasfaser 13 phasenrichtig rückgekoppelt. Der Kristall 11 kann daher zu einer Resonanzschwingung angeregt werden. Der Sensor kann hier nicht dargestellt in einem temperaturstabilen Gehäuse in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors angebracht sein. Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise bis zu Temperaturen von 1470°C stabil. Weiterhin kann das Gehäuse eine Blende aufweisen, welche für Partikel wie beispielsweise Ruß durchlässig ist. Der Kristall 11 kann hierbei zweckmäßigerweise derart zwischen der Blende und einer Gehäusewand angeordnet sein, dass sich eindringende Rußpartikel auf dem Kristall 11 ablagern. Durch die Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Kristall 11, ändert sich dessen Masse und damit auch dessen Resonanzfrequenz. Es lassen sich daher Rückschlüsse auf die Menge von im Motor entstehenden Ruß im Abgassystem des Verbrennungsmotors ziehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 11
- Kristall
- 12
- Stimmgabel
- 12a
- Fuß
- 12b
- Zinken
- 13
- Glasfaser
- 14
- Absorptionsfläche
