DE102018104953A1 - Measuring device and method for determining a physical measurand - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße mit einem optischen Koppler, welcher N (N ≥ 3) Kopplereingänge zum Empfangen jeweils eines Lichtwelleneingangssignals und N Kopplerausgänge zum Ausgeben jeweils eines Lichtwellenausgangssignals aufweist, wobei die Lichtwellenausgangssignale durch Signalverarbeitung im optischen Koppler Koppler-bedingte Phasenverschiebungen zueinander ungleich m·π (mit m ∈

Figure DE102018104953A1_0001
) aufweisen; einem an einem ersten Kopplereingang anliegenden ersten Lichtwellensignal; einem an einem zweiten Kopplereingang anliegenden zweiten Lichtwellensignal, wobei das erste und das zweite Lichtwellensignal interferierbar sind und eine Messgrößen-bedingte Phasenverschiebung aufweisen, die einer physikalischen Messgröße entsprechend ausgebildet ist; einem an einem ersten Kopplerausgang anliegenden ersten optischen Interferenzsignal, welches eine erste Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert; einem an einem zweiten Koppierausgang anliegenden zweiten optischen Interferenzsignal, welches eine zweite Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert, wobei das zweite optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweist; einem ersten optischen Detektor, der eingerichtet ist, an einem ersten Detektoreingang das erste optische Interferenzsignal zu empfangen und an einem ersten Detektorausgang ein erstes elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen; einem zweiten optischen Detektor, der eingerichtet ist, an einem zweiten Detektoreingang das zweite optische Interferenzsignal zu empfangen sowie ein zweites elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen; und einer Auswerteinrichtung zum Bestimmen der physikalischen Messgröße aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ausgangssignal. Weiterhin ist ein Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße vorgesehen.
Figure DE102018104953A1_0000
The invention relates to a measuring device for determining a physical measurement quantity with an optical coupler having N (N ≥ 3) coupler inputs for receiving in each case a lightwave input signal and N coupler outputs for outputting a respective lightwave output signal, wherein the lightwave output signals by signal processing in the optical coupler coupler-related phase shifts not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) respectively; a first lightwave signal applied to a first coupler input; a second lightwave signal applied to a second coupler input, wherein the first and second lightwave signals are interferable and have a measurement-related phase shift which is formed corresponding to a physical measurand; a first optical interference signal applied to a first coupler output, which represents a first interference of the first and second lightwave signals; a second optical interference signal applied to a second coupling output, which represents a second interference of the first and the second lightwave signal, wherein the second optical interference signal relative to the first coupler-related phase shift is not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) having; a first optical detector configured to receive the first optical interference signal at a first detector input and to provide a first electrical output signal at a first detector output; a second optical detector configured to receive, at a second detector input, the second optical interference signal and to provide a second electrical output signal; and an evaluation device for determining the physical quantity from the first and the second electrical output signal. Furthermore, a method for determining a physical measured quantity is provided.
Figure DE102018104953A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße.The invention relates to a measuring device and a method for determining a physical measured variable.

Hintergrundbackground

Faseroptische Sensoren werden in Technik und Wissenschaft verwendet, um mechanische Verformungen über die Zeit zu erfassen. Etwas spezifischer wird von Schall-, Vibrations- oder Dehnungseffekten gesprochen. Schall und Vibrationen sind periodische Erscheinungen, die zum Beispiel mit akustischen Sensoren (Mikrophonen) erfassen werden können. Hierbei kommen unterschiedliche Wirkprinzipien zum Einsatz, wobei mechanische Schwingungen normalerweise in elektrische Schwingungen gewandelt werden. Beim Kondensatormikrophon wird zum Beispiel die Kapazität einer beweglichen Plattenanordnung gemessen. Beim piezoakustischen Sensor wird genutzt, dass ein piezoelektrischer Kristall bei mechanischer Anregung eine elektrische Spannung erzeugt. Beim Tauchspulenmikrophon wird der Induktionseffekt genutzt.Fiber optic sensors are used in engineering and science to detect mechanical deformations over time. Somewhat more specific is spoken of by sound, vibration or stretching effects. Sound and vibration are periodic phenomena that can be detected, for example, with acoustic sensors (microphones). Here, different principles of action are used, with mechanical vibrations normally being converted into electrical vibrations. For example, in the condenser microphone, the capacity of a movable plate assembly is measured. The piezoacoustic sensor makes use of the fact that a piezoelectric crystal generates an electrical voltage during mechanical excitation. The immersion coil microphone uses the induction effect.

Obwohl Dehnungseffekte sich im Prinzip ähnlich erfassen lassen wie Schall oder Vibrationen, besteht hier das Problem, dass die mechanischen Verformungen oft nicht periodisch sind oder zumindest sehr niederfrequent in Erscheinung treten. Somit kommen nur Sensoren in Frage, die keine Hochpass-Charakteristik aufweisen. So besteht zum Beispiel bei einem Piezosensor die Gefahr, dass die durch sehr langsam einwirkende Kräfte freigesetzten Elektronen abfließen und somit die Spannung nicht mehr der jeweiligen Verformung entspricht. Ein sehr gebräuchlicher Ansatz ist der Einsatz eines Dehnungsmessstreifens, bei dem eine Dehnung zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt, die sich leicht messtechnisch erfassen lässt.Although elongation effects are in principle similar to those of sound or vibration, the problem here is that the mechanical deformations are often not periodic or at least very low-frequency. Thus, only sensors come into question that have no high-pass characteristic. For example, in the case of a piezoelectric sensor, there is a risk that the electrons released by very slowly acting forces will flow out and thus the voltage no longer corresponds to the respective deformation. A very common approach is the use of a strain gauge, in which an elongation leads to a change in the electrical resistance, which can be easily detected metrologically.

Die aufgezählten Sensoren kommen wegen ihrer Empfindlichkeit und Größe in vielen Anwendungen zum Einsatz - nicht zuletzt auch deshalb, weil sie im Allgemeinen sehr kostengünstig sind. Sie lassen sich jedoch schlecht in rauen Umgebungen einsetzen, zum Beispiel in Bereichen in denen hohe Temperaturen herrschen oder in Bereichen, in denen chemisch aggressive Substanzen existieren. Problematisch sind auch Einsatzfelder mit hohen Feldstärken, wie zum Beispiel in der Nähe von Hochspannungskabeln oder in Schaltanlagen. Hier spielen faseroptische Messprinzipien ihre Stärken aus. Eine Glasfaser kann hohe Temperaturen aushalten, kommt mit vielen chemischen Substanzen klar und ist nicht leitfähig. Allerdings sind die Kosten für den faseroptischen Sensor und vor allem für die Messtechnik höher als bei den konventionellen Sensoren.The listed sensors are used in many applications because of their sensitivity and size - not least because they are generally very cost-effective. However, they are difficult to use in harsh environments, for example, in areas where high temperatures prevail or in areas where chemically aggressive substances exist. Fields of application with high field strengths, such as in the vicinity of high-voltage cables or in switchgear, are also problematic. Here, fiber optic measurement principles are showing their strengths. A glass fiber can withstand high temperatures, gets along with many chemical substances and is not conductive. However, the costs for the fiber optic sensor and especially for the measurement technology are higher than with the conventional sensors.

Eine weitere Stärke faseroptischer Sensoren zur Messung von akustischen Effekten oder Dehnungseffekten ist, dass die auftretenden Längenänderungen in den Fasern hochgenau gemessen werden können. Zumindest gilt dies für Messprinzipien, in denen die Interferenz von Lichtwellen als Wirkprinzip genutzt wird, wie zum Beispiel beim Mach-Zehnder-Interferometer, beim Michelson-Interferometer oder beim Sagnac-Interferometer.Another strength of fiber optic sensors for the measurement of acoustic effects or elongation effects is that the length changes occurring in the fibers can be measured with high precision. At least, this applies to measuring principles in which the interference of light waves is used as an active principle, such as the Mach-Zehnder interferometer, the Michelson interferometer or the Sagnac interferometer.

Beim Mach-Zehnder-Interferometer wird Licht durch einen 2x2-Koppler zunächst geteilt. Die beiden Lichtwellen durchlaufen anschließend eine Referenzfaser und eine Sensorfaser. Durch mechanische Anregung erfährt die Sensorfaser eine Streckung bzw. Stauchung, was zu einer leicht veränderten Laufzeit des Lichts in der Sensorfaser führt. Wird das Licht durch die Sensorfaser mit dem durch die Referenzfaser zur Interferenz gebracht (wobei erneut ein 2x2-Koppler zum Einsatz kommt), wirken sich die Laufzeitunterschiede als Helligkeitsänderungen im Interferenzsignal aus. Sie werden messtechnisch erfasst und verarbeitet.In the Mach-Zehnder interferometer, light is first split by a 2x2 coupler. The two light waves then pass through a reference fiber and a sensor fiber. By mechanical excitation, the sensor fiber undergoes an extension or compression, which leads to a slightly changed transit time of the light in the sensor fiber. When the light is made to interfere with the reference fiber by the sensor fiber (again using a 2x2 coupler), the skew differences affect brightness changes in the interference signal. They are recorded and processed by measurement.

Das Michelson-Interferometer arbeitet ähnlich dem Mach-Zehnder-Interferometer, nutzt aber nicht zwei, sondern nur einen 2x2-Koppler, der sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung zum Einsatz gebracht wird. Genau wie beim Mach-Zehnder-Interferometer dient der 2x2-Koppler zunächst als Strahlteiler. Die Lichtwellen werden anschließend parallel durch die Referenz- und die Sensorfaser geführt. Am Ende beider Fasern befindet sich ein Spiegel, der das Licht durch die Fasern zurück schickt. Wird schließlich der 2×2-Koppler in umgekehrter Richtung durchlaufen, kommt es zur Interferenz. Die weitere Auswertung ist äquivalent zum Mach-Zehnder-Interferometer. Da es fertigungstechnisch schwierig ist, die Faserenden zu verspiegeln, wird das Michelson-Interferometer kaum für faseroptische Messmethoden genutzt.The Michelson interferometer works similarly to the Mach-Zehnder interferometer, but does not use two, but only a 2x2 coupler, which is used in both the forward and the reverse direction. As with the Mach-Zehnder interferometer, the 2x2 coupler initially serves as a beam splitter. The light waves are then guided in parallel through the reference and the sensor fiber. At the end of both fibers is a mirror, which sends the light back through the fibers. Finally, if the 2 × 2 coupler is traversed in the opposite direction, interference will occur. The further evaluation is equivalent to the Mach-Zehnder interferometer. Since it is difficult to mirror the fiber ends in terms of manufacturing technology, the Michelson interferometer is hardly used for fiber-optic measurement methods.

Weiterhin ist das Sagnac-Interferometer bekannt. Es ist eine Anordnung, in der das Licht durch eine Faser geschickt wird, in der asymmetrisch ein faseroptischer Sensor eingebracht ist. Das Licht wird gleichzeitig von beiden Seiten in diese Faser eingespeist. Durch die asymmetrische Anordnung erreichen die beiden Lichtwellen den faseroptischen Sensor zeitlich versetzt. Innerhalb dieser kurzen Differenzzeitspanne bewirkt eine mechanische Verformung des faseroptischen Sensors eine Phasenverschiebung zwischen den sich in der Faser ausbreitenden Lichtstrahlen. Durch Interferenz wird die Phasenverschiebung schließlich erfasst und weiterverarbeitet. Ähnlich dem Michelson-Interferometer nutzt das Sagnac-Interferometer einen einzelnen Koppler zur Strahlteilung und zur Interferenz. Statt eines 2x2-Kopplers kommt jedoch ein 3x3-Koppler zum Einsatz.Furthermore, the Sagnac interferometer is known. It is an arrangement in which the light is passed through a fiber in which a fiber optic sensor is asymmetrically inserted. The light is simultaneously fed into this fiber from both sides. Due to the asymmetrical arrangement, the two light waves reach the fiber optic sensor with a time offset. Within this short time differential period, mechanical deformation of the fiber optic sensor causes a phase shift between the light beams propagating in the fiber. By interference, the phase shift is finally detected and processed. Similar to the Michelson interferometer, the Sagnac interferometer uses a single coupler for beam splitting and interference. Instead of a 2x2 coupler, however, a 3x3 coupler is used.

Neben den interferometrisch arbeitenden Methoden existieren andere Techniken, mit denen sich Schall, Vibrationen und Dehnungseffekte faseroptisch messen lassen. Zu nennen ist zum Beispiel das Faser-Bragg-Gitter, bei dem eine Mikrostruktur in eine Faser geprägt ist. Diese ist örtlich begrenzt, wiederholt sich jedoch periodisch. Abhängig von den vorgesehenen Zwischenräumen reflektiert die Faser an der Mikrostruktur eine bestimmte Wellenlänge des einfallenden Lichts. Werden durch Streckung oder Stauchung die Abstände in der Mikrostruktur verändert, reflektiert die Mikrostruktur andere Wellenlängen, was sich schließlich messtechnisch erfassen lässt. In addition to interferometric methods, there are other techniques that can be used to measure the sound, vibration and elongation effects of fiber optics. One example is the fiber Bragg grating, in which a microstructure is embossed into a fiber. This is local, but repeats periodically. Depending on the spaces provided, the fiber on the microstructure reflects a certain wavelength of the incident light. If the distances in the microstructure are changed by stretching or compression, the microstructure reflects other wavelengths, which can finally be measured.

Andere nicht interferometrisch arbeitende Techniken basieren zum Beispiel auf akustischen Empfindlichkeiten von Hohlräumen („hollow-core photonic bandgap fibers“) oder nutzen einen Faser-Kollimator zur Detektion von Druckeinflüssen als Winkelabweichung.Other non-interferometric techniques rely on, for example, hollow-core photonic bandgap fibers or use a fiber collimator to detect pressure effects as angular deviation.

ZusammenfassungSummary

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße anzugeben, mit denen verschiedene physikalische Messgrößen in unterschiedlichen Anwendungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.The object of the invention is to specify a measuring device and a method for determining a physical measured variable with which different physical measured variables can be measured with high accuracy in different applications.

Zur Lösung sind eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 15 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.As a solution, a measuring device and a method for determining a physical measurand according to independent claims 1 and 15 are provided. Embodiments are the subject of dependent claims.

Nach einem Aspekt ist eine Messvorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße geschaffen. Die Messvorrichtung weist Folgendes auf:

  • - einen optischen Koppler mit N (N ≥ 3) Kopplereingängen, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwelleneingangssignal zu empfangen, und N Kopplerausgängen, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwellenausgangssignal auszugeben, wobei die Lichtwellenausgangssignale durch Signalverarbeitung im optischen Koppler jeweils verschiedene Phasen mit einer Koppler-bedingten Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) aufweisen;
  • - ein erstes Lichtwellensignal, welches an einen ersten der Kopplereingänge angelegt ist;
  • - ein zweites Lichtwellensignal, welches an einen zweiten der Kopplereingänge angelegt ist, wobei das erste und das zweite Lichtwellensignal interferierbar sind und eine Messgrößen bedingte Phasenverschiebung aufweisen, die eine physikalische Messgröße entsprechend ausgebildet ist;
  • - ein erstes optisches Interferenzsignal, welches eine erste Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert und an einem ersten der Kopplerausgänge anliegt;
  • - ein zweites optisches Interferenzsignal, welches eine zweite Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert und an einem zweiten der Kopplerausgänge anliegt, wobei das zweite optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten optischen Interferenzsignal eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) aufweist;
  • - einen ersten optischen Detektor, der eingerichtet ist, an einem ersten Detektoreingang das erste optische Interferenzsignal zu empfangen und an einem ersten Detektorausgang ein erstes elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen;
  • - einen zweiten optischen Detektor, der eingerichtet ist, an einem zweiten Detektoreingang das zweite optische Interferenzsignal zu empfangen und an einem zweiten Detektorausgang ein zweites elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen; und
  • - eine Auswerteinrichtung, die eingerichtet ist, aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ausgangssignal die physikalische Messgröße zu bestimmen.
In one aspect, a measuring device for determining a physical quantity is provided. The measuring device has the following:
  • an optical coupler having N (N ≥ 3) coupler inputs arranged to receive a lightwave input signal, respectively, and N coupler outputs adapted to output a lightwave output signal respectively, the lightwave output signals having different phases with a coupler by signal processing in the optical coupler conditional phase shift unequal to m · π (with m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) respectively;
  • a first lightwave signal applied to a first one of the coupler inputs;
  • - A second lightwave signal, which is applied to a second of the coupler inputs, wherein the first and the second lightwave signal are interferable and have a measurement-related phase shift, which is designed according to a physical measurement variable;
  • a first optical interference signal, which is a first interference of the represents first and second lightwave signals and is applied to a first one of the coupler outputs;
  • a second optical interference signal representing a second interference of the first and second lightwave signals and applied to a second one of the coupler outputs, wherein the second optical interference signal has a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) having;
  • a first optical detector configured to receive the first optical interference signal at a first detector input and to provide a first electrical output signal at a first detector output;
  • a second optical detector arranged to receive the second optical interference signal at a second detector input and to provide a second electrical output signal at a second detector output; and
  • - An evaluation device which is adapted to determine from the first and the second electrical output signal, the physical measured variable.

Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße geschaffen, welches Folgendes aufweist:

  • - Bereitstellen eines optischen Kopplers, welcher N (N ≥ 3) Kopplereingänge, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwelleneingangssignal zu empfangen, und N Kopplerausgänge aufweist, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwellenausgangssignal auszugeben, wobei die Lichtwellenausgangssignale aufgrund einer Signalverarbeitung im optischen Koppler jeweils eine verschiedene Phase mit einer Koppler-bedingten Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) aufweisen;
  • - Anlegen eines ersten Lichtwellensignals an einen ersten der Kopplereingänge;
  • - Anlegen eines zweiten Lichtwellensignals an einen zweiten der Kopplereingänge, wobei das erste und das zweite Lichtwellensignal interferierbar sind und eine Messgrößen bedingte Phasenverschiebung aufweisen, die eine physikalische Messgröße entsprechend ausgebildet ist;
  • - Bereitstellen eines ersten optischen Interferenzsignals, welches eine erste Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert, an einem ersten der Kopplerausgänge;
  • - Bereitstellen eines zweiten optischen Interferenzsignals, welches eine zweite Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert, an einem zweiten der Kopplerausgänge, wobei das zweite optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten optischen Interferenzsignal eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) aufweist;
  • - Empfangen des ersten optischen Interferenzsignals an einem ersten Detektoreingang eines ersten optischen Detektors, und Bereitstellen eines ersten elektrischen Ausgangssignals an einem ersten Detektorausgang des ersten optischen Detektors;
  • - Empfangen des zweiten optischen Interferenzsignals an einem zweiten Detektoreingang eines zweiten optischen Detektors, und Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ausgangssignals an einem zweiten Detektorausgang des zweiten optischen Detektors; und
  • - Bestimmen der physikalischen Messgröße mittels einer Auswerteinrichtung aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ausgangssignal.
In another aspect, there is provided a method of determining a physical measure comprising:
  • Providing an optical coupler having N (N ≥ 3) coupler inputs arranged to receive a lightwave input signal, respectively, and having N coupler outputs arranged to output a lightwave output signal, the lightwave output signals being respectively one due to signal processing in the optical coupler different phase with a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) respectively;
  • - applying a first lightwave signal to a first one of the coupler inputs;
  • - Applying a second lightwave signal to a second of the coupler inputs, wherein the first and the second lightwave signal are interferable and have a measurement-related phase shift, which is formed according to a physical measurement variable;
  • Providing a first optical interference signal representing a first interference of the first and second lightwave signals at a first one of the coupler outputs;
  • Providing a second optical interference signal representing a second interference of the first and second lightwave signals at a second of the coupler outputs, wherein the second optical interference signal has a coupler-related phase shift different from m.pi. (With m ∈
    Figure DE102018104953A1_0001
    ) having;
  • - receiving the first optical interference signal at a first detector input of a first optical detector, and providing a first electrical output signal at a first detector output of the first optical detector;
  • Receiving the second optical interference signal at a second detector input of a second optical detector, and providing a second electrical output signal at a second detector output of the second optical detector; and
  • - Determining the physical quantity by means of an evaluation device from the first and the second electrical output signal.

Der optische Koppler kann ein 3x3-Koppler sein.The optical coupler may be a 3x3 coupler.

Die Auswerteinrichtung kann Folgendes aufweisen: eine erste Verstärkereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem ersten Verstärkereingang das erste elektrische Ausgangssignal des optischen Kopplers zu empfangen und an einem ersten Verstärkerausgang ein erstes verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen; und eine zweite Verstärkereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem zweiten Verstärkereingang das zweite elektrische Ausgangssignal des optischen Detektors zu empfangen und an einem zweiten Verstärkerausgang ein zweites verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen.The evaluation device may include: a first amplifier device configured to receive, at a first amplifier input, the first electrical output signal of the optical coupler and to provide a first amplified output signal at a first amplifier output; and second amplifier means arranged to receive at a second amplifier input the second electrical output signal of the optical detector and to provide at a second amplifier output a second amplified output signal.

Die Verstärkereinrichtung kann ein Transimpedanzverstärker sein.The amplifier device may be a transimpedance amplifier.

Die Auswerteinrichtung kann Folgendes aufweisen: eine erste Filtereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem ersten Filtereingang das erste elektrische Ausgangssignal zu empfangen und an einem ersten Filterausgang ein erstes gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen; und eine zweite Filtereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem zweiten Filtereingang das zweite elektrische Ausgangssignal zu empfangen und an einem zweiten Filterausgang ein zweites gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen. Mit Hilfe der Filtereinrichtungen kann jeweils eine elektrische Signalglättung ausgeführt werden.The evaluation device may include: a first filter device configured to receive the first electrical output signal at a first filter input and to provide a first filtered output signal at a first filter output; and a second filter means arranged to receive, at a second filter input, the second electrical output signal and to provide a second filtered output signal at a second filter output. With the aid of the filter devices, in each case an electrical signal smoothing can be carried out.

Die erste Filtereinrichtung kann einen ersten Anti-Aliasing-Filter und die zweite Filtereinrichtung kann einen zweiten Anti-Aliasing-Filter aufweisen.The first filter means may comprise a first anti-aliasing filter and the second filter means may comprise a second anti-aliasing filter.

Die erste Filtereinrichtung kann einen ersten Hochpassfilter, und die zweite Filtereinrichtung kann einen zweiten Hochpassfilter aufweisen. Der Hochpassfilter kann dazu dienen, einen möglichen Gleichanteil aus den Signalen zu entfernen.The first filter device may comprise a first high-pass filter, and the second filter device may comprise a second high-pass filter. The high pass filter can be used to remove a possible DC component from the signals.

Die Auswerteinrichtung kann weiterhin Folgendes aufweisen: einen ersten Komparator, der eingerichtet ist, an einem ersten Komparatoreingang das erste gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem ersten Komparatorausgang ein erstes digitales Ausgangssignal bereitzustellen; und einen zweiten Komparator, der eingerichtet ist, an einem zweiten Komparatoreingang das zweite gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem zweiten Komparatorausgang ein zweites digitales Ausgangssignal bereitzustellen.The evaluation device may further comprise: a first comparator configured to receive at a first comparator input the first filtered output signal and to provide a first digital output signal at a first comparator output; and a second comparator configured to receive at a second comparator input the second filtered output signal and to provide a second digital output signal at a second comparator output.

Der erste und / oder der zweite Komparator können eine Hysterese aufweisen. Hierdurch kann eine Schmitt-Trigger-Funktion bereitgestellt sein, so dass der oder die Komparatoren als Schmitt-Trigger ausgeführt sind.The first and / or the second comparator may have a hysteresis. As a result, a Schmitt trigger function can be provided, so that the one or more comparators are designed as Schmitt triggers.

Die Auswerteinrichtung kann Folgendes aufweisen: einen ersten AD-Wandler, der eingerichtet ist, an einem ersten AD-Wandlereingang das erste gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem ersten AD-Wandlerausgang das erste digitale Ausgangssignal bereitzustellen; und einen zweiten AD-Wandler, der eingerichtet ist, an einem zweiten AD-Wandlereingang das zweite gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem zweiten AD-Wandlerausgang das zweite digitale Ausgangssignal bereitzustellen. Die AD-Wandler können alternativ zu den Komparatoren vorgesehen sein.The evaluation device may include: a first AD converter configured to receive the first filtered output signal at a first AD converter input and to provide the first digital output signal at a first AD converter output; and a second AD converter configured to receive the second filtered output signal at a second AD converter input and to provide the second digital output signal at a second AD converter output. The AD converters may be provided as an alternative to the comparators.

Die Auswerteinrichtung kann eine Signalverarbeitung aufweisen, die eingerichtet ist, das erste und das zweite digitale Ausgangssignal zu verarbeiten. Es kann vorgesehen sein, dass die Signalverarbeitung die Ausgangssignale der Komparatoren und / oder der AD-Wandler verarbeitet.The evaluation device may have signal processing that is configured to process the first and the second digital output signal. It can be provided that the signal processing processes the output signals of the comparators and / or the AD converter.

Weiterhin kann Folgendes vorgesehen sein: ein dritter optischer Detektor, der eingerichtet ist, an einem dritten Detektoreingang ein drittes optisches Interferenzsignal von dem optischen Koppler zu empfangen und an einem dritten Detektorausgang ein drittes elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das dritte optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten und dem zweiten optischen Interferenzsignal eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈

Figure DE102018104953A1_0001
) aufweist; und die Auswerteinrichtung eingerichtet ist, aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten elektrischen Ausgangssignal die physikalische Messgröße zu bestimmen. Die Verarbeitung des dritten optischen Interferenzsignals kann der Verarbeitung des ersten und des zweiten Interferenzsignals entsprechend ausgeführt werden.Furthermore, a third optical detector configured to receive a third optical interference signal from the optical coupler at a third detector input and to provide a third electrical output signal at a third detector output, wherein the third optical interference signal relative to the first and the second optical interference signal a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) having; and the evaluation device is set up to determine the physical measured variable from the first, the second and the third electrical output signal. The processing of the third optical interference signal may be the processing of the first and the second interference signal are executed accordingly.

Bei Verwendung eines optischen Kopplers mit N Kopplereingängen und N Kopplerausgängen (N > 3) können weitere optische Detektoren vorgesehen sein, die eingerichtet sind, an weiteren Detektoreingängen weitere optische Interferenzsignale von dem optischen Koppler zu empfangen und an weiteren Detektorausgängen weitere elektrische Ausgangssignale bereitzustellen, wobei alle optischen Interferenzsignale jeweils paarweise zueinander eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈

Figure DE102018104953A1_0001
) aufweisen; und die Auswerteinrichtung eingerichtet ist, aus allen elektrischen Ausgangssignalen die physikalische Messgröße zu bestimmen. Die Verarbeitung der weiteren optischen Interferenzsignale kann der Verarbeitung des ersten und des zweiten Interferenzsignals entsprechend ausgeführt werden.When using an optical coupler with N coupler inputs and N coupler outputs (N> 3) further optical detectors may be provided which are adapted to receive further optical interference signals from the optical coupler at further detector inputs and to provide further electrical output signals at further detector outputs, all of them optical interference signals in pairs to each other a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) respectively; and the evaluation device is set up to determine the physical measured variable from all electrical output signals. The processing of the further optical interference signals may be carried out in accordance with the processing of the first and second interference signals.

Die optischen Detektoren können Fotodioden sein.The optical detectors can be photodiodes.

In Verbindung mit dem Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße können die vorangehend im Zusammenhang mit der Messvorrichtung beschriebene Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein.In connection with the method for determining a physical measured variable, the embodiments described above in connection with the measuring device can be provided accordingly.

Die Technologie kann zum Beispiel für Dehnungs-, Vibrations- und Schallmessungen eingesetzt werden.The technology can be used, for example, for strain, vibration and sound measurements.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung zum Prinzip eines Sagnac-Interferometers zur Messung von Längenänderungen in einer faseroptischen Spule nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine schematische Darstellung zum Prinzip eines Mach-Zehnder-Interferometers nach dem Stand der Technik;
  • 3a eine schematische Darstellung zum Verhältnis zweier Lichtwellen bei einer kleinen Längenänderung einer Faserspule bei dem bekannten Mach-Zehnder-Interferometer;
  • 3b eine schematische Darstellung von Lichtwellen bei einer Verschiebung um mehr als der Periodenlänge des verwendeten Lichts bei dem bekannten Mach-Zehnder-Interferometer;
  • 4 eine schematische grafische Darstellung zum Rückrechnen eines Phasenwinkels auf Grundlage der detektierten Lichtmenge;
  • 5a eine schematische grafische Darstellung zum Zusammenhang zwischen Sinuskurve und Zeiger in der komplexen Zahlenebene;
  • 5b eine schematische grafische Darstellung zur Abgrenzung von Nulldurchgängen bei positiven Phasenwinkeländerungen und Nulldurchgängen bei negativen Phasenwinkeländerungen in der komplexen Zahlenebene;
  • 5c eine weitere schematische grafische Darstellung zur Abgrenzung von Nulldurchgängen bei positiven Phasenwinkeländerungen und Nulldurchgängen bei negativen Phasenwinkeländerungen in der komplexen Zahlenebene;
  • 6a eine schematische grafische Darstellung eines Zeigers und eines weiteren Zeigers mit einer konstanten Phasenverschiebung in der komplexen Zahlenebene;
  • 6b eine schematische grafische Darstellung zur Bestimmung der Drehrichtung eines Zeigers in der komplexen Zahlenebene mittels Einführung eines weiteren Zeigers;
  • 6c eine weitere schematische grafische Darstellung zur Bestimmung der Drehrichtung eines Zeigers in der komplexen Zahlenebene mittels Einführung eines weiteren Zeigers;
  • 7a eine schematische grafische Darstellung von zwei Zeigern in der komplexen Zahienebene, die den gleichen Imaginärteil, aber unterschiedliche Phasenwinkel aufweisen;
  • 7b eine schematische grafische Darstellung zur Bestimmung der Drehrichtung und des Phasenwinkels eines Zeigers in der komplexen Zahlenebene mittels Einführung eines weiteren Zeigers;
  • 8 eine schematische Darstellung eines 3x3-Kopplers zur Erzeugung dreier phasenverschobener Interferenzsignale;
  • 9 eine schematische Darstellung eines modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers mit einem 3x3-Koppler zur Erzeugung von Interferenzsignalen;
  • 10 eine schematische Darstellung einer Auswerteeinrichtung zum modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer in zwei verschiedenen Implementierungsvarianten;
  • 11a eine schematische grafische Darstellung des Falls eines ersten digitalen Signals mit aufsteigender Flanke und eines negativen zweiten digitalen Signals;
  • 11b eine schematische grafische Darstellung des Falls eines ersten digitalen Signals mit absteigender Flanke und eines positiven zweiten digitalen Signals;
  • 11c eine schematische grafische Darstellung des Falls eines ersten digitalen Signals mit aufsteigender Flanke und eines positiven zweiten digitalen Signals;
  • 11d eine schematische grafische Darstellung des Falls eines ersten digitalen Signals mit absteigender Flanke und eines negativen zweiten digitalen Signals;
  • 12a eine schematische grafische Darstellung des Zeitverlaufs zweier ungeglätteter elektrischer Signale;
  • 12b eine schematische grafische Darstellung des Zeitverlaufs zweier geglätteter Signale;
  • 12c eine schematische grafische Darstellung des Zeitverlaufs der an der Signalauswertungseinheit eingehenden digitalen Signale;
  • 13 eine schematische grafische Darstellung der Vibrationsmessung auf Basis des modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers;
  • 14 eine schematische grafische Darstellung zur Auswertung aller Ausgangssignale eines 3x3-Kopplers;
  • 15 eine schematische Darstellung einer Auswerteeinrichtung zum modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer in einer weiteren Implementierungsvariante;
  • 16a eine schematische grafische Darstellung geglätteter Signale als Eingangssignale für die Berechnung des Phasenwinkels;
  • 16b eine schematische grafische Darstellung der Signale aus der Berechnung des Phasenwinkels;
  • 16c eine schematische grafische Darstellung der Signale zur Rauschreduktion der berechneten Phasenwinkelwerte und
  • 17 eine schematische grafische Darstellung zur genauen Gesamtphasenwinkelbestimmung im Vergleich zur Gesamtphasenwinkelbestimmung mittels Halbwellenzählung.
In the following, further embodiments will be explained in more detail with reference to figures of a drawing. Hereby show:
  • 1 a schematic representation of the principle of a Sagnac interferometer for measuring changes in length in a fiber optic coil according to the prior art;
  • 2 a schematic representation of the principle of a Mach-Zehnder interferometer according to the prior art;
  • 3a a schematic representation of the ratio of two light waves at a small change in length of a fiber coil in the known Mach-Zehnder interferometer;
  • 3b a schematic representation of light waves with a shift by more than the period length of the light used in the known Mach-Zehnder interferometer;
  • 4 a schematic diagram for calculating a phase angle based on the detected amount of light;
  • 5a a schematic diagram of the relationship between sinusoid and pointer in the complex number plane;
  • 5b a schematic graph showing the delineation of zero crossings at positive phase angle changes and zero crossings at negative phase angle changes in the complex number plane;
  • 5c a further schematic diagram for delineation of zero crossings at positive phase angle changes and zero crossings at negative phase angle changes in the complex number plane;
  • 6a a schematic graphical representation of a pointer and another pointer with a constant phase shift in the complex number plane;
  • 6b a schematic diagram for determining the direction of rotation of a pointer in the complex number plane by introducing another pointer;
  • 6c a further schematic diagram for determining the direction of rotation of a pointer in the complex number plane by introducing another pointer;
  • 7a a schematic graphical representation of two pointers in the complex Zahienebene having the same imaginary part, but different phase angles;
  • 7b a schematic diagram for determining the direction of rotation and the phase angle of a pointer in the complex number plane by introducing another pointer;
  • 8th a schematic representation of a 3x3 coupler for generating three phase-shifted interference signals;
  • 9 a schematic representation of a modified Mach-Zehnder interferometer with a 3x3 coupler for generating interference signals;
  • 10 a schematic representation of an evaluation device for the modified Mach-Zehnder interferometer in two different implementation variants;
  • 11a a schematic graphical representation of the case of a first digital signal with rising edge and a negative second digital signal;
  • 11b a schematic graphical representation of the case of a first digital signal with a rising edge and a positive second digital signal;
  • 11c a schematic graphical representation of the case of a first digital signal with rising edge and a positive second digital signal;
  • 11d a schematic graphical representation of the case of a first digital signal with a rising edge and a negative second digital signal;
  • 12a a schematic graphical representation of the time course of two unsmoothed electrical signals;
  • 12b a schematic graphical representation of the time course of two smoothed signals;
  • 12c a schematic graphical representation of the time course of the incoming at the signal processing unit digital signals;
  • 13 a schematic diagram of the vibration measurement based on the modified Mach-Zehnder interferometer;
  • 14 a schematic diagram for the evaluation of all output signals of a 3x3 coupler;
  • 15 a schematic representation of an evaluation device for the modified Mach-Zehnder interferometer in a further implementation variant;
  • 16a a schematic graphical representation of smoothed signals as input signals for the calculation of the phase angle;
  • 16b a schematic graphical representation of the signals from the calculation of the phase angle;
  • 16c a schematic graphical representation of the signals for noise reduction of the calculated phase angle values and
  • 17 a schematic diagram for the exact total phase angle determination in comparison to the total phase angle determination by means of half-wave counting.

Das nachfolgend beschrieben Messverfahren kann zum Beispiel zum Erfassen einer Längenänderung genutzt werden und lässt sich mit unterschiedlichen Sensoren kombinieren. Im Folgenden wird als Beispiel eine einfache Sensorspule betrachtet. Selbstverständlich ist es möglich, andere Sensorprinzipien zu nutzen, wie zum Beispiel eine Fabry-Perot-Konfiguration, bei der zwei Faserenden über einen kleinen Zwischenraum gekoppelt werden. Akustische Effekte verändern den Abstand zwischen den Fasern, was sich interferometrisch detektieren lässt. Da die Sensoren nur beispielhaft für die Arbeitsweise sind, wird auf eine Beschreibung weiterer Sensorkonfigurationen verzichtet.The measuring method described below can, for example, be used to record a change in length and can be combined with different sensors. In the following, a simple sensor coil will be considered as an example. Of course, it is possible to use other sensor principles, such as a Fabry-Perot configuration in which two fiber ends are coupled across a small gap. Acoustic effects change the distance between the fibers, which can be detected interferometrically. Since the sensors are only examples of the operation, will be omitted description of other sensor configurations.

Der Aufbau eines faseroptischen Sensors beeinflusst wesentlich dessen Frequenzgang und Empfindlichkeit. So werden für die Detektion von Teilentladungen zum Beispiel Faserspulen eingesetzt, die mit sehr dünnen Fasern gefertigt werden. Kleinste Schwingungen verursachen in einer Faserspule mechanische Verformungen, die sich gleichzeitig auf alle Wicklungen auswirken und daher entsprechend der Windungszahl verstärkt werden. In der Konsequenz ist eine solche Faserspule in hohem Maße empfindlich und wegen der dünnen Fasern geeignet, sehr hohe Frequenzen aufzunehmen.The structure of a fiber optic sensor significantly affects its frequency response and sensitivity. Thus, for the detection of partial discharges, for example, fiber coils are used, which are manufactured with very thin fibers. Smallest vibrations cause in a fiber coil mechanical deformations, which at the same time affect all windings and are therefore amplified according to the number of turns. As a consequence, such a fiber coil is highly sensitive and, because of the thin fibers, is capable of absorbing very high frequencies.

Auch wenn die beschriebene Faserspule prinzipiell zur Aufnahme von Vibrationsereignissen geeignet ist, bestehen Herausforderungen bezüglich der Übersteuerung der Auswerteelektronik. Zur Messung von Vibrationen werden aus diesem Grund unempfindliche Sensoren verwendet. Im einfachsten Fall wird die Faser direkt auf eine vibrierende Fläche geklebt und verhält sich damit wie ein Dehnungsmessstreifen.Even if the fiber coil described is in principle suitable for recording vibration events, there are challenges with regard to the overloading of the evaluation electronics. To measure vibrations, therefore, insensitive sensors are used. In the simplest case, the fiber is glued directly onto a vibrating surface and behaves like a strain gauge.

Für die parallele Verarbeitung zum Beispiel schwacher Schallemissionen und kräftiger Vibrationen sind mehrere unterschiedliche Sensoren an dem zu überwachenden Messobjekt anzubringen. Dies ist unproblematisch für die Vibrationssensorik, da die schwachen Schallemissionen von den unempfindlichen faseroptischen Vibrationssensoren nicht detektiert werden. Damit auch umgekehrt die für schwache Schallemissionen konzipierte empfindliche Faserspule nicht durch Vibrationen beeinflusst wird, wird die Faserspule differenziell ausgewertet. Statt einer Längenänderung der Faser insgesamt wird hierbei nur die Längenänderung innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne gemessen. Langsame mechanische Vorgänge, wie zum Beispiel Vibrationen, wirken sich wenig aus und beeinflussen das Messergebnis dementsprechend kaum.For the parallel processing of, for example, weak acoustic emissions and powerful vibrations, a plurality of different sensors are to be attached to the object to be monitored. This is not a problem for the vibration sensor, since the weak sound emissions are not detected by the insensitive fiber optic vibration sensors. Conversely, to ensure that the sensitive fiber coil designed for weak acoustic emissions is not affected by vibrations, the fiber coil is evaluated differentially. Instead of a change in length of the fiber as a whole, only the change in length is measured within a very short period of time. Slow mechanical processes, such as vibrations, have little effect and therefore hardly influence the measurement result.

Die differentielle Arbeitsweise lässt sich optisch mit Hilfe eines Sagnac-Interferometers realisieren. 1 zeigt eine schematische Darstellung zum Prinzip eines Sagnac-Interferometers zur Messung von Längenänderungen in einer faseroptischen Spule nach dem Stand der Technik. Ein Laser 1 erzeugt kohärentes Licht, das durch einen optischen Isolator 2 geführt wird (insbesondere zur Vermeidung unerwünschter Rückreflexionen) und mit Hilfe eines optischen 3x3-Kopplers 3 dreigeteilt wird. Zwei dieser drei Lichtwellen 4a, 4b durchlaufen anschließend einmal im Uhrzeigersinn und einmal im Gegenuhrzeigersinn die Verzögerungsspule 5 und der Faserspule 6. Der Weg durch die Verzögerungsspule 5 ist deutlich länger als der durch die Faserspule 6. Deshalb passiert zuerst der Lichtstrahl über 4b die Faserspule und etwas verzögert der Lichtstrahl über 4a. In dieser kurzen Differenzzeit ändert die Faserspule infolge des Einwirkens von Schall- oder Vibrationssignalen ihre Ausdehnung. Dies führt zu einer Phasenverschiebung der beiden Lichtwellen zueinander.The differential mode of operation can be optically realized with the aid of a Sagnac interferometer. 1 shows a schematic representation of the principle of a Sagnac interferometer for measuring changes in length in a fiber optic coil according to the prior art. A laser 1 generates coherent light through an optical isolator 2 is guided (in particular to avoid unwanted back reflections) and with the aid of a 3x3 optical coupler 3 is divided into three. Two of these three light waves 4a . 4b then go through the delay coil once clockwise and counterclockwise once 5 and the fiber coil 6 , The way through the delay coil 5 is much longer than the fiber coil 6 , Therefore, the light beam over 4b first passes through the fiber coil and slightly delays the light beam 4a , In this short difference time, the fiber coil changes due to the influence of sound or Vibration signals their extent. This leads to a phase shift of the two light waves to each other.

Der 3x3-Koppler 3 wird nun erneut in umgekehrter Richtung durchlaufen. Dabei werden die beiden Lichtwellen zur Interferenz gebracht. An der linken Seite des 3x3-Kopplers werden drei Interferenzsignale 7a, 7b, 7c ausgegeben. Aufgrund der Arbeitsweise des Kopplers sind die drei Signale vom Verlauf her identisch, weisen aber eine Phasenverschiebung von 2π/3 (120°) auf. Die Interferenzsignale 7b und 7c werden nun auf einen Balanced Detector 8 geführt, in dem die optischen Signale in elektrische Signale gewandelt und voneinander subtrahiert werden. Letzteres ist erforderlich, da die Interferenzsignale 7b, 7c sinusförmig sind und Winkeländerungen eines Sinussignals kaum Änderungen des Ausgangssignals verursachen, wenn der Phasenwinkel nahe bei 90° liegt. Die Subtraktion bewirkt folglich eine Optimierung des Arbeitspunktes.The 3x3 coupler 3 will now go through again in the opposite direction. The two light waves are brought into interference. On the left side of the 3x3 coupler, there are three interference signals 7a . 7b . 7c output. Due to the mode of operation of the coupler, the three signals are identical in terms of the course, but have a phase shift of 2π / 3 (120 °). The interference signals 7b and 7c Now be on a Balanced Detector 8th guided, in which the optical signals are converted into electrical signals and subtracted from each other. The latter is required because the interference signals 7b . 7c are sinusoidal and angle changes of a sine signal will hardly cause changes in the output signal when the phase angle is close to 90 °. The subtraction thus causes an optimization of the operating point.

Das Sagnac-Interferometer hat den Vorteil, robust gegen Temperaturschwankungen zu sein. Außerdem lässt sich das Frequenzverhalten über die Verzögerungsspule 5 einstellen. So kann der Aufbau im Prinzip auch zur Messung niederfrequenter Eingangssignale verwendet werden. Problematisch ist jedoch, dass die differentielle Arbeitsweise sehr kleine Amplituden am Ausgang 9 generiert. Dies führt dazu, dass eine aufwändige analoge Nachbearbeitung und Analog-Digital-Wandlung erforderlich ist, welche eine hohe Rauschempfindlichkeit bewirkt. Ebenfalls eignet sich der Ansatz nicht dazu, gleichzeitig hochfrequente Signale mit kleinen Amplituden und niederfrequente Signale mit großen Amplituden zu verarbeiten. Wird die Längenänderung einer Faser nicht differentiell sondern absolut gemessen, ist dies möglich.The Sagnac interferometer has the advantage of being robust against temperature fluctuations. In addition, the frequency behavior can be achieved via the delay coil 5 to adjust. Thus, the structure can be used in principle for the measurement of low-frequency input signals. The problem, however, is that the differential mode of operation has very small amplitudes at the output 9 generated. As a result, a complex analog post-processing and analog-to-digital conversion is required, which causes a high noise sensitivity. Likewise, the approach is not suitable for simultaneously processing high-frequency signals with small amplitudes and low-frequency signals with large amplitudes. If the change in length of a fiber is not differentially but absolutely measured, this is possible.

2 zeigt eine schematische Darstellung zum Prinzip eines Mach-Zehnder-Interferometers nach dem Stand der Technik. Ein 2x2-Koppler 20 dient zunächst als Strahlteiler. Die geteilten Lichtwellen durchlaufen eine Referenzfaser 21a bzw. eine Sensorfaser 21b. Die Referenzfaser 21a weist in einer weiteren Ausführung zusätzlich eine Verzögerungsspule 22 auf. Die Sensorfaser 21b weist eine Faserspule 23 auf. Die Referenzfaser 21a und die Sensorfaser 21b haben beim Mach-Zehnder-Interferometer gemäß 2 etwa die gleiche Länge aufzuweisen, wobei die Längendifferenz unter der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle liegen muss. Ein zweiter 2x2-Koppler 24 bringt die geteilten Lichtwellen wieder zur Interferenz. Das Interferenzsignal 25 wird schließlich mit Hilfe eines optischen Detektors 25a und zum Beispiel eines Transimpedanzverstärkers 26 (transimpedance amplifier, TIA) in ein elektrisches Ausgangssignal 27 gewandelt. In einer alternativen Ausführung kann anstelle eines Transimpedanzverstärkers 26 ein einfacher Widerstand verwendet werden, um den Strom der Fotodiode in eine Spannung zu überführen. Diese Anordnung kann in einer weiteren Ausführung um einen herkömmlichen Verstärker erweitert sein. In verschiedenen Ausführungen können für den optischen Detektor 25a alternativ oder kombiniert Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände oder Solarzellen zum Einsatz kommen. 2 shows a schematic representation of the principle of a Mach-Zehnder interferometer according to the prior art. A 2x2 coupler 20 initially serves as a beam splitter. The split light waves pass through a reference fiber 21a or a sensor fiber 21b , The reference fiber 21a in a further embodiment additionally has a delay coil 22 on. The sensor fiber 21b has a fiber coil 23 on. The reference fiber 21a and the sensor fiber 21b have the Mach-Zehnder interferometer according to 2 have approximately the same length, wherein the difference in length must be below the coherence length of the light source used. A second 2x2 coupler 24 brings the split light waves back to interference. The interference signal 25 Finally, with the help of an optical detector 25a and for example a transimpedance amplifier 26 (transimpedance amplifier, TIA) into an electrical output signal 27 changed. In an alternative embodiment, instead of a transimpedance amplifier 26 a simple resistor can be used to convert the current of the photodiode into a voltage. This arrangement may be extended in a further embodiment by a conventional amplifier. In different versions can be used for the optical detector 25a alternatively or combined photodiodes, phototransistors, photoresistors or solar cells are used.

Im Ruhezustand der Faserspule 23 sollten sich die beiden Lichtwellen auslöschen, sodass unter idealen Bedingungen ein Ausgangssignal 27 von 0 V gemessen wird. Wirkt ein Schall- oder Vibrationssignal auf die Faserspule 23 ein, ändert sich deren Ausdehnung und es kommt am Eingang des zweiten 2x2-Kopplers 24 zu einer Phasenverschiebung zwischen den geteilten Lichtwellen. Die Interferenz bewirkt, dass sich die Lichtwellen nicht mehr vollständig auslöschen und es kommt zu einem Ausgangssignal 27 ungleich 0 V.At rest, the fiber coil 23 The two light waves should extinguish, so that under ideal conditions an output signal 27 is measured from 0V. Acts a sound or vibration signal on the fiber coil 23 on, their extent changes and it comes at the input of the second 2x2 coupler 24 to a phase shift between the split light waves. The interference causes the light waves no longer cancel out completely and it comes to an output signal 27 not equal to 0 V.

Das Verfahren ist abgesehen von den akustischen Eigenschaften der Faserspule prinzipiell frequenzunabhängig und würde den Umgang mit Signalen ermöglichen, die einen großen Dynamikumfang besitzen. Das Mach-Zehnder-Interferometer nach 2 weist jedoch einen essentiellen Nachteil auf: Bei Längenänderungen der Sensorfaser 21a größer der Wellenlänge des verwendeten Lichts kommt es zu einem Phasensprung (vgl. 3a und 3b).Apart from the acoustic properties of the fiber coil, the method is in principle independent of frequency and would enable the handling of signals which have a large dynamic range. The Mach-Zehnder interferometer after 2 However, it has an essential disadvantage: When changing the length of the sensor fiber 21a greater than the wavelength of the light used, there is a phase jump (cf. 3a and 3b) ,

3a zeigt das Verhältnis zweier Lichtwellen 30, 31a bei einer kleinen Längenänderung der Faserspule 23. 3b zeigt die Lichtwellen 30, 31b bei einer Verschiebung von 31b bezüglich der Lichtwelle 30 um mehr als der Periodenlänge des verwendeten Lichts. Werden die Lichtwellen 30, 31a, 31b kontinuierlich fortgesetzt, so ist messtechnisch nicht unterscheidbar, ob eine Phasenverschiebung um den Faktor 0,25 der Wellenlänge (π/2, 90°, 3a) oder um den Faktor 1,25 der Wellenlänge (5π/2, 450°, 3b) vorliegt. Deutlich wird dies, wenn die grau hinterlegten Bereiche 32a, 32b in den 3a und 3b miteinander verglichen werden. Tatsächlich ist die Rückrechnung des Phasenwinkels auf Grundlage der detektierten Lichtmenge (in 4 durch den Transimpedanzverstärker 26) sogar nur innerhalb eines Phasenbereichs von -π/2 (-90°) bis +π/2 (+90°) möglich, weil die Sinusfunktion nicht injektiv und daher der Arkussinus, die Umkehrfunktion des Sinus, nur im Intervall [-π/2, π/2] definiert ist. 3a shows the ratio of two light waves 30 . 31a with a small change in length of the fiber coil 23 , 3b shows the light waves 30 . 31b at a shift of 31b with respect to the light wave 30 by more than the period length of the light used. Become the light waves 30 . 31a . 31b continuous, so it is not distinguishable by measurement, whether a phase shift by a factor of 0.25 the wavelength (π / 2, 90 °, 3a) or by a factor of 1.25 of the wavelength (5π / 2, 450 °, 3b) is present. This is clear when the gray areas 32a . 32b in the 3a and 3b compared with each other. In fact, the recalculation of the phase angle is based on the detected amount of light (in 4 through the transimpedance amplifier 26 ) is only possible within a phase range from -π / 2 (-90 °) to + π / 2 (+ 90 °), because the sine function is not injective and therefore the arcsine, the inverse function of the sine, only in the interval [-π / 2, π / 2] is defined.

Wird angenommen, dass eine Rückrechnung des Phasenwinkels φ0 zwischen der Lichtwelle 30 durch die Referenzfaser und den Lichtwellen 31a, 31b durch die Sensorfaser 21a auf Grundlage der gemessenen Lichtmenge nach Interferenz innerhalb einer vollständigen Periode möglich ist (im Phasenintervall von 0 bis 2π, entsprechend 0 bis 360°) dann können Phasenwinkel φ0 größer als 360° dadurch ermittelt werden, dass bei einer Streckung der Sensorfaser die Hell-Dunkel-Übergänge im Interferenzsignal 25 gezählt werden und der Winkel innerhalb einer Periode addiert wird. Jeder Wechsel repräsentiert eine vollständige Periode und trägt mit 2π (360°) zum Gesamtphasenwinkel φ bei. Der exakte Gesamtphasenwinkel φ ergibt sich dann entsprechend folgender Formel, wobei n gleich der Anzahl der gezählten Perioden ist:It is assumed that a recalculation of the phase angle φ 0 between the light wave 30 through the reference fiber and the light waves 31a . 31b through the sensor fiber 21a based on the measured amount of light after interference within a complete period is possible (in the phase interval from 0 to 2π, corresponding to 0 to 360 °) then phase angle φ 0 greater than 360 ° can be determined by stretching the Sensor fiber, the light-dark transitions in the interference signal 25 are counted and the angle is added within a period. Each change represents a complete period and contributes with 2π (360 °) to the total phase angle φ. The exact total phase angle φ then results according to the following formula, where n is equal to the number of counted periods:

Gesamtphasenwinkel: φ = φ 0 + 2 π   n

Figure DE102018104953A1_0002
Total phase angle: φ = φ 0 + 2 π n
Figure DE102018104953A1_0002

Allerdings ist der hier skizzierte Ansatz mit dem Mach-Zehnder-Interferometer entsprechend 2 nicht realisierbar. Der Grund hierfür liegt darin, dass beim Stauchen der Sensorfaser exakt genauso vorgegangen werden müsste, wie beim Strecken der Sensorfaser, wobei der Gesamtphasenwinkel sich nicht entsprechend Gleichung 1 durch Addition, sondern entsprechend Gleichung 2 durch Subtraktion berechnet.However, the approach outlined here is corresponding with the Mach-Zehnder interferometer 2 not feasible. The reason for this is that when compressing the sensor fiber would have to be exactly the same procedure as when stretching the sensor fiber, wherein the total phase angle is not calculated according to Equation 1 by addition, but according to Equation 2 by subtraction.

Gesamtphasenwinkel: φ = φ 0 2 π   n

Figure DE102018104953A1_0003
Total phase angle: φ = φ 0 - 2 π n
Figure DE102018104953A1_0003

Offensichtlich ist es mit dem Mach-Zehnder-Interferometer nach 2 nicht möglich, am Interferenzsignal 25 zu erkennen, ob die Sensorfaser 23 gestreckt oder gestaucht wird. 4 veranschaulicht diesen Effekt als Graph der gemessenen Lichtintensität / nach Interferenz über die Längenänderung Δs der Sensorfaser 23. Die Faser befindet sich im Ruhezustand bei Δs = 0 (Position 40 in 4). Positive Werte für die Längenänderung Δs entsprechen einer Streckung, negative Werte einer Stauchung. Für das Zählen von Perioden bietet es sich an, die Nulldurchgänge mit positiver Steigung zu detektieren. Für diese Nulldurchgänge gilt, dass / vor dem Nulldurchgang negativ und danach positiv ist (Position 41). Genau solche Nulldurchgänge finden sich jedoch auch für negative Δs (Position 42).Obviously, it is after the Mach-Zehnder interferometer 2 not possible, at the interference signal 25 to detect if the sensor fiber 23 stretched or compressed. 4 illustrates this effect as a graph of measured light intensity / interference over the change in length Δs of the sensor fiber 23 , The fiber is at rest at Δs = 0 (position 40 in 4 ). Positive values for the change in length Δs correspond to an extension, negative values of a compression. For counting periods, it is advisable to detect the zero crossings with positive slope. For these zero crossings, / is negative before the zero crossing and then positive (position 41 ). Exactly such zero crossings are also found for negative Δs (position 42 ).

Zur Lösung des Problems ist der Effekt in die komplexe Zahlenebene mit Realteil x und Imaginärteil y zu übertragen. Der Sinus in 4 entsteht hierbei, indem ein Zeiger 50 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit und aktuellem Phasenwinkel φ1 zur x-Achse im Einheitskreis rotiert und nur der Imaginärteil 53 des Zeigers 50 betrachtet wird (in 5a ist der Imaginärteil 53 durch die graue Strecke markiert). Rotiert der Zeiger 50 mit konstanter Geschwindigkeit im Uhrzeigersinn, ergibt sich der in 4 dargestellte Funktionsverlauf.The solution to the problem is the effect in the complex number plane with real part x and imaginary part y transferred to. The sinus in 4 arises here by a pointer 50 with constant angular velocity and current phase angle φ 1 to x -Axis in the unit circle rotates and only the imaginary part 53 of the pointer 50 is considered (in 5a is the imaginary part 53 marked by the gray stretch). The pointer rotates 50 at constant speed in a clockwise direction, the results in the 4 shown function course.

5b zeigt, wie sich der im Gegenuhrzeigersinn rotierender Zeiger 50 von der Position 51 in die Position 52 bewegt und dabei die x-Achse überschreitet, und zwar aus der negativen Halbebene (y < 0) in die positive Halbebene (y > 0). Der in 5c dargestellte im umgekehrten Urzeigersinn rotierende Zeiger 50 überschreitet bei seiner Bewegung von Position 53 nach Position 54 ebenfalls die x-Achse vom negativen in die positive Halbebene. Wird nur der jeweilige Sinus des Zeigers 50 auf die y-Achse (die Imaginärteile 55, 56) betrachtet, so sind beide Fälle in 5b und 5c nicht unterscheidbar. 5b shows how the counterclockwise rotating pointer 50 from the position 51 in the position 52 moves while doing the x Axis, from the negative half-plane (y <0) to the positive half-plane (y> 0). The in 5c illustrated counterclockwise rotating pointer 50 passes by position during its movement 53 by position 54 also the x -Axis from the negative to the positive half-plane. Only the respective sine of the pointer 50 on the y Axis (the imaginary parts 55 . 56 ), both cases are in 5b and 5c indistinguishable.

Wie sich die Drehrichtung eines Zeigers 50 ermitteln lässt, ist in den 6a bis 6c skizziert. Hierbei wird ein zweiter Zeiger 60 benötigt, der zum Zeiger 50 einen konstanten Phasenwinkel δ aufweist, wobei δ nicht einem ganzzahligen Vielfachen von π entsprechen darf. Wird bei einer solchen Konstellation ein Nulldurchgang des ersten Zeigers 50 detektiert, kann anhand des zweiten phasenverschobenen Zeigers 60 bestimmt werden, ob sich beide Zeiger 50, 60 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn bewegen. In 6b bewegt sich zum Beispiel der erste Zeiger 50 aus der Position 61 gegen den Uhrzeigersinn in die Position 62. Dabei wird die x-Achse vom Negativen ins Positive überschritten. Gleichzeitig bewegt sich der zweite Zeiger 60 aus der Position 63 in die Position 64.As the direction of rotation of a pointer 50 is in the 6a to 6c outlined. This will be a second pointer 60 needed, to the pointer 50 has a constant phase angle δ, where δ may not correspond to an integer multiple of π. In such a constellation becomes a zero crossing of the first pointer 50 detected, based on the second phase-shifted pointer 60 determine if both hands 50 . 60 move clockwise or counterclockwise. In 6b For example, the first pointer moves 50 from the position 61 counterclockwise to the position 62 , Here is the x -Axis crossed from negative to positive. Simultaneously, the second pointer moves 60 from the position 63 in the position 64 ,

Der Fall entspricht dem, der in 5b dargestellt ist. 6c entspricht dem Fall in 5c und zeigt, wie sich der Zeiger 50 im Uhrzeigersinn von Position 65 nach Position 66 bewegt und dabei die x-Achse überschreitet. Gleichzeitig bewegt sich der phasenverschobene zweite Zeiger 60 von der Position 67 in die Position 68. Während die beiden Fälle in 5b und 5c nicht unterscheidbar sind, lassen sie sich in 6b und 6c alleine dadurch voneinander abgrenzen, dass der phasenverschobene zweite Zeiger 60 in 6b in der oberen Halbebene liegt (y > 0), während in 6c der phasenverschobene zweite Zeiger 60 in der unteren Halbebene liegt (y < 0).The case corresponds to that in 5b is shown. 6c corresponds to the case in 5c and shows how the pointer is 50 clockwise from position 65 by position 66 moves while doing the x Axis exceeds. At the same time, the phase-shifted second pointer moves 60 from the position 67 in the position 68 , While the two cases in 5b and 5c are indistinguishable, they can be in 6b and 6c delimited solely by the fact that the phase-shifted second pointer 60 in 6b in the upper half-plane lies (y> 0), while in 6c the phase-shifted second pointer 60 in the lower half-plane lies (y <0).

Der phasenverschobene zweite Zeiger 60 erlaubt nicht nur die Bestimmung der Drehrichtung, sondern zusätzlich auch die Winkelbestimmung innerhalb des vollständigen Einheitskreises, von -π bis +π. 7a veranschaulicht dies. Um den Phasenwinkel zum Messwert zu ermitteln, wird die Arkussinus-Funktion benötigt, welche nur im Intervall von -π/2 bis +π/2 eindeutig definiert ist, wie dies in 7a verdeutlicht wird: Ein Sinuswert 70 kann auf die Zeiger an den Positionen 71 bzw. 72 mit jeweiligen, voneinander verschiedenen Phasenwinkeln φ2 bzw. φ3 zurückgeführt werden.The phase-shifted second pointer 60 allows not only the determination of the direction of rotation, but also the angle determination within the complete unit circle, from -π to + π. 7a illustrates this. In order to determine the phase angle to the measured value, the arc sine function is required, which is uniquely defined only in the interval from -π / 2 to + π / 2, as in 7a is clarified: A sine value 70 can be on the pointers at the positions 71 or. 72 with respective different phase angles from each other φ 2 or. φ 3 to be led back.

Indem zusätzlich ein phasenverschobener Zeiger betrachtet wird, lassen sich die beiden Positionen 71 und 72 jedoch voneinander abgrenzen. So gehört in 7b zum Zeiger an Position 71 der phasenverschobene Zeiger an Position 73 und zum Zeiger an Position 72 der phasenverschobene Zeiger an Position 74. Die phasenverschobenen Zeiger an den Positionen 73 und 74 haben jedoch unterschiedliche Werte für den Arkussinus, sodass sich durch eine einfache Fallunterscheidung bezüglich des Vorzeichens des Arkussinus-Wertes des phasenverschobenen Zeigers bestimmen lässt, ob der gemessene Sinuswert 70 zum Zeiger an der Position 71 oder der Position 72 gehört.By additionally considering a phase-shifted pointer, the two positions can be resolved 71 and 72 but separate from each other. So belongs in 7b to the pointer at position 71 the phase-shifted pointer at position 73 and Pointer at position 72 the phase-shifted pointer at position 74 , The phase-shifted hands at the positions 73 and 74 However, they have different values for the arcsine, so that it can be determined by a simple case distinction with respect to the sign of the arcsine of the phase-shifted pointer, whether the measured sine value 70 to the pointer at the position 71 or the position 72 belongs.

Da es nötig ist, mit zwei voneinander phasenverschobenen Zeigern 50, 60 zu arbeiten, muss geklärt werden, wie mit Hilfe eines interferometers ein konstant phasenverschobenes Signal erzeugt werden kann. Hier ist die Funktionsweise der in der Faseroptik zur Interferometrie verwendeten N×N-Koppler hilfreich. NxN-Koppler verursachen Phasenverschiebungen, die von der Anzahl der Ein- und Ausgänge abhängig sind. Zum Beispiel erzeugt ein 3x3-Koppler 80 aus einem Eingangssignal 81 drei jeweils um 2π/3 (entsprechend 360°/3 = 120°) verschobene Ausgangssignale 82, 83, 84 (siehe 8). Allgemein gilt die Beziehung, dass ein NxN-Koppler am Ausgang paarweise jeweils eine Phasenverschiebung von 2π/N (entsprechend 360°/N) verursacht, wobei N gleich der Anzahl der Ein- und Ausgänge am N×N-Koppler ist. Die Beziehung gilt auch dann, wenn der N×N-Koppler mit zwei Eingangssignalen angesteuert wird, wobei sich in diesem Fall die Phasenverschiebung am Ausgang des NxN-Kopplers auf das Interferenzsignal der Eingangssignale bezieht.As it is necessary, with two phased out hands 50 . 60 To work, it must be clarified how a constant phase-shifted signal can be generated with the help of an interferometer. Here, the operation of the N × N couplers used in fiber optics for interferometry is helpful. NxN couplers cause phase shifts that depend on the number of inputs and outputs. For example, a 3x3 coupler 80 generates from an input signal 81 three in each case by 2π / 3 (corresponding to 360 ° / 3 = 120 °) shifted output signals 82 . 83 . 84 (please refer 8th ). In general, the relation holds that an NxN coupler at the output causes a pairwise phase shift of 2π / N (corresponding to 360 ° / N), where N equals the number of inputs and outputs on the N × N coupler. The relationship applies even if the N × N coupler is driven with two input signals, in which case the phase shift at the output of the NxN coupler refers to the interference signal of the input signals.

Die beschriebene Technologie basiert in einem Ausführungsbeispiel auf einem abgewandelten Mach-Zehnder-Interferometer, wobei für das Interferenzsignal ein N×N-Koppler mit N ≥ 3 zum Einsatz kommt. Der Aufbau ist mit einem 3x3-Koppler 90 beispielhaft in 9 dargestellt. An den Ausgängen des 3x3-Kopplers 90 werden drei phasenverschobene Interferenzsignale (91a, 91b, 91c) erzeugt. Wenigstens zwei dieser Interferenzsignale 91a, 91b werden mit Hilfe eines optischen Detektors 91d, 91e (zum Beispiel einer Fotodiode, eines Fototransistors, eines Photomultipliers oder einer Solarzelle) und eines zur Signalaufbereitung vorgesehenen Transimpedanzverstärkers 92a, 92b in elektrische Signale 93a, 93b gewandelt. Die Weiterverarbeitung der elektrischen Signale 93a, 93b ist implementierungsabhängig und wird weiter unten im Detail beschrieben. Ebenfalls implementierungsabhängig ist, ob mehr als zwei Interferenzsignale 91a, 91b an den Ausgängen des N×N-Kopplers 90 berücksichtigt werden. Deshalb ist der optische Detektor 91f und der Transimpedanzverstärker 92c in 9 grau hinterlegt dargestellt. Es sei ausdrücklich angemerkt, dass die Verwendung von NxN-Kopplern höherer Ordnung (N ≥ 4) möglich ist und von Vorteil sein kann, wie unten ausgeführt wird.The described technology is based in one embodiment on a modified Mach-Zehnder interferometer, wherein an N × N coupler with N ≥ 3 is used for the interference signal. The structure is exemplary with a 3x3 coupler 90 in FIG 9 shown. At the outputs of the 3x3 coupler 90, three phase-shifted interference signals ( 91a . 91b . 91c) generated. At least two of these interference signals 91a . 91b be using an optical detector 91d . 91e (For example, a photodiode, a phototransistor, a photomultiplier or a solar cell) and provided for signal processing transimpedance amplifier 92a . 92b into electrical signals 93a . 93b changed. The further processing of the electrical signals 93a . 93b is implementation-dependent and will be described in detail below. Also implementation-dependent is whether more than two interference signals 91a . 91b be taken into account at the outputs of the N × N coupler 90. That's why the optical detector is 91f and the transimpedance amplifier 92c in 9 shown in gray. It is expressly noted that the use of higher order NxN couplers (N ≥ 4) is possible and may be advantageous as set forth below.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, welches mit geringem Implementierungsaufwand realisierbar ist.An exemplary embodiment which can be implemented with little implementation effort is explained below.

Reicht es bei einer Messung aus, mit einer Genauigkeit zu arbeiten, die der halben Lichtwellenlänge entspricht, ist es nicht nötig, den Phasenwinkel φ0 innerhalb des Einheitskreises zu ermitteln. Stattdessen müssen lediglich die Halbperioden gezählt werden, welche bei einer Streckung oder Stauchung der Sensorfaser 21b in positiver oder negativer Richtung im Interferenzsignal 91a auftreten. Als Eingangsinformation für die Verarbeitung müssen daher nicht die zeitaufgelösten exakten Lichtmengen aus dem Interferenzsignal 91a erfasst werden, sondern nur deren Nulldurchgänge. Dies vereinfacht die Nachverarbeitung der Ausgangssignale 93a, 93b des modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers wesentlich, wie in 10 dargestellt. Die grau hinterlegten Komponenten haben in der Implementierungsvariante A keine Funktion.If it is sufficient for a measurement to work with an accuracy that corresponds to half the wavelength of the light, it is not necessary to change the phase angle φ 0 within the unit circle. Instead, only the half periods must be counted, which at a stretch or compression of the sensor fiber 21b in the positive or negative direction in the interference signal 91a occur. The input information for the processing therefore does not have to be the time-resolved exact amounts of light from the interference signal 91a but only their zero crossings. This simplifies the post-processing of the output signals 93a . 93b of the modified Mach-Zehnder interferometer substantially as in 10 shown. The components highlighted in gray have no function in implementation variant A.

Die zur Signalaufbereitung verwendeten Transimpedanzverstärker 92a, 92b entsprechen denen in . Sie sind lediglich der Übersichtlichkeit halber aufgeführt und müssen nicht unbedingt vorgesehen sein. Zur Detektion der Nulldurchgänge des Interferenzsignals 91a werden die Interferenzsignale 91a und 91b zunächst auf Antialiasing-Filter 100a, 100b geführt. Sie stellen sicher, dass hochfrequentes Rauschen im Nulldurchgang reduziert wird. The transimpedance amplifiers used for signal conditioning 92a . 92b correspond to those in , They are merely listed for the sake of clarity and need not necessarily be provided. For detecting the zero crossings of the interference signal 91a become the interference signals 91a and 91b first on antialiasing filters 100a . 100b guided. They ensure that high frequency noise is reduced at zero crossing.

Anschließend werden die geglätteten Signale 101a, 101b auf die Komparatoreinheiten 102a, 102b geführt. Die Komparatoreinheiten 102a, 102b mit Komparatoren 103a, 103b können in einer Ausführung eingangsseitig Hochpassfilter 104a, 104b aufweisen, welche die geglätteten Signale 101a, 101b von Gleichanteilen befreien, die sich ansonsten störend bei der Weiterverarbeitung auswirken könnten. An den Ausgängen der Komparatoreinheiten 102a, 102b liegen bereits digitale Signale 105a, 105b vor. Bei der Implementierungsvariante A werden teurere Analog-Digital-Wandler nicht benötigt. Da sehr breitbandige Komparatoren allgemein erhältlich sind, können durch die Schaltung in 10 auch hohe Frequenzen verarbeitet werden.Subsequently, the smoothed signals 101 . 101b on the comparator units 102 . 102b guided. The comparator units 102 . 102b with comparators 103a . 103b can in one embodiment high-pass filter on the input side 104a . 104b comprising the smoothed signals 101 . 101b Free from DC components that could otherwise interfere with the further processing. At the outputs of the comparator units 102 . 102b are already digital signals 105a . 105b in front. In implementation variant A, more expensive analog-to-digital converters are not needed. Because very broadband comparators are commonly available, through the circuit in 10 even high frequencies are processed.

Die weitere Signalauswertung erfolgt digital in einer Signalauswertungseinheit 106. Falls auch hochfrequente Signale verarbeitet werden sollen, kann in einer Ausgestaltung die Signalauswertungseinheit 106 in Form eines FPGA-Systems (Field Programmable Gate Array) realisiert sein. Falls lediglich niederfrequente Änderungen am Eingang zu erwarten sind, kann in einer alternativen Ausgestaltung die Signalauswertungseinheit 106 in Form eines eingebetteten Systems realisiert sein. Das eingebettete System muss hierzu einzig die Nulldurchgänge, vermittelt durch die digitalen Signale 105a, 105b, zählen und das Ergebnis weitergeben (zum Beispiel über die Schnittstelle 107). Dabei ist es zweckdienlich, nicht ausschließlich ganze Perioden in den Interferenzsignalen 91a, 91b zu zählen, sondern halbe Perioden. Auf diese Weise wird einerseits die Auflösung der Messung verbessert, sodass mit der halben Lichtwellenlänge quantisiert wird, und andererseits sichergestellt, dass sich Störungen auf einer der beiden betrachteten digitalen Signale 105a und 105b nicht in Form einer Drift zu großen positiven oder negativen Werten hin auswirken.The further signal evaluation takes place digitally in a signal evaluation unit 106 , If high-frequency signals are also to be processed, the signal evaluation unit can in one embodiment 106 be implemented in the form of a FPGA system (Field Programmable Gate Array). If only low-frequency changes are to be expected at the input, in an alternative embodiment, the signal evaluation unit 106 be realized in the form of an embedded system. The embedded system only needs to pass the zero crossings, mediated by the digital signals 105a . 105b , counting and pass on the result (for example via the interface 107 ). It is expedient, not only whole periods in the interference signals 91a . 91b to count but half periods. In this way, on the one hand, the resolution of the measurement is improved, so that is quantized with half the wavelength of light, and on the other hand ensures that interference on one of the two considered digital signals 105a and 105b not in the form of a drift to large positive or negative values out.

11a bis 11d zeigen die vier Fälle, die digital von der Signalauswertungseinheit 106 auszuwerten sind. Mittels des digitalen Signals 105a werden die Nulldurchgänge des Interferenzsignals 91a als Flanke 110 detektiert. Mittels des digitalen Signals 105b wird entschieden, ob der Gesamtphasenwinkel φ inkrementiert oder dekrementiert werden soll. 11a und 11c bzw. 11b und 11d legen jeweils dar, ob die erste oder zweite Halbwelle einer Periode gezählt werden soll. Gemäß der Fälle in 11a und 11b wird der Gesamtphasenwinkel φ inkrementiert, gemäß den Fällen in 11c und 11d wird der Gesamtphasenwinkel φ dekrementiert. Für eine längengenaue Auswertung ist auf diese Weise pro Halbwelle die halbe Lichtwellenlänge zum Gesamtphasenwinkel φ zu addieren bzw. von dem Gesamtphasenwinkel φ zu subtrahieren. 11a to 11d show the four cases that are digitally from the signal processing unit 106 be evaluated. By means of the digital signal 105a become the zero crossings of the interference signal 91a as a flank 110 detected. By means of the digital signal 105b it is decided whether the total phase angle φ should be incremented or decremented. 11a and 11c or. 11b and 11d in each case show whether the first or second half-wave of a period is to be counted. According to the cases in 11a and 11b becomes the total phase angle φ increments, according to the cases in 11c and 11d becomes the total phase angle φ decremented. For a length-accurate evaluation, in this way half the wavelength of light per half-wave is the total phase angle φ or to subtract from the total phase angle φ.

Die Implementierungsvariante A wurde für die eingangs erwähnte Vibrationsmessung praktisch erprobt. Sowohl die Antialiasing-Filter 100a, 100b als auch die Komparatoren 103a, 103b wurden nicht in Hardware aufgebaut, sondern in Software simuliert, wobei die Programmiersprache Python zum Einsatz kam. Das auf realen Messdaten basierende Ergebnis ist in 12a bis 12c dargestellt. Der im modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer verwendete Laser 1 arbeitete mit einer Wellenlänge von 1550 nm, sodass Streckungen und Stauchungen mit einer Genauigkeit von ± 775 nm erfassbar sind.The implementation variant A was practically tested for the vibration measurement mentioned above. Both the antialiasing filters 100a . 100b as well as the comparators 103a . 103b were not built in hardware, but simulated in software using the Python programming language. The result based on real measurement data is in 12a to 12c shown. The laser used in the modified Mach-Zehnder interferometer 1 operated at a wavelength of 1550 nm, so that elongations and compressions with an accuracy of ± 775 nm can be detected.

12a zeigt den mit Hilfe eines Oszilloskops gemessenen Kurvenverlauf der elektrischen Signale 93a, 93b am Ausgang des modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers (vgl. 9). Die Antialiasing-Filter 100a, 100b für den ersten Verarbeitungsschritt wurden hier mit Hilfe eines Moving-Average-Filters über 19 Punkte simuliert. Das Ergebnis, den geglätteten Signalen 101a, 101b entsprechend, ist in 12b dargestellt. Mittels der Glättung durch die Antialiasing-Filter 100a, 100b werden künstliche Nulldurchgänge vermieden. Allerdings kann in einer Ausgestaltung auf den Einsatz von Antialiasing-Filtern verzichtet werden, wenn die vorliegenden Interferenzsignale 91a, 91b deutlich bandbegrenzt sind. 12c stellt den simulierten Kurvenverlauf der digitalen Signale 105a, 105b am Ausgang der Komparatoren 103a, 103b dar (vgl. 10). 12a shows the measured with the help of an oscilloscope waveform of the electrical signals 93a . 93b at the output of the modified Mach-Zehnder interferometer (cf. 9 ). The antialiasing filters 100a . 100b for the first processing step, 19 points were simulated using a moving average filter. The result, the smoothed signals 101 . 101b accordingly, is in 12b shown. By means of the smoothing by the antialiasing filters 100a . 100b artificial zero crossings are avoided. However, in one embodiment, the use of anti-aliasing filters can be omitted if the interference signals present 91a . 91b are clearly bandlimited. 12c represents the simulated curve of the digital signals 105a . 105b at the output of the comparators 103a . 103b (cf. 10 ).

Der berechnete Graph 130 in 13 ist das Resultat einer durchgeführten Vibrationsmessung. Dabei wurden entsprechend 11 die Halbwellen jeweils mit Faktor 0,5 gezählt. Im Graphen 130 sind deutlich Quantisierungsstufen durch das stufenweise Inkrementieren und Dekrementieren gemäß 11 zu erkennen. In der vorliegenden Konfiguration treten Amplitudenwerte 131 von ca. -25 bis ca. +58 Einheiten auf. Gemessen von Spitze zu Spitze ergibt dies eine Längenänderung von 83 · 1550 nm = 128,65 µm. Da auf Halbwellen genau gemessen wurde, wird bei dieser Längenänderung in 83 · 2 = 166 Stufen quantisiert, was einer 8-Bit-Wandlung entspricht. Jedoch wäre es nicht korrekt, von einer Genauigkeit von 8 Bit zu sprechen, da die Maximalamplitude nur durch die Größe des digital realisierten Zählers begrenzt ist. Auflösung und Frequenz der digitalen Signale 105a, 105b stehen allerdings in einer wechselseitigen Beziehung, da die Signalauswertungseinheit 106 mit begrenztem Takt arbeitet und daher nicht in der Lage ist, beliebig schnelle digitale Signale 105a, 105b aufzulösen.The calculated graph 130 in 13 is the result of a vibration measurement. It was accordingly 11 the half-waves each counted by a factor of 0.5. In the graph 130 are clearly quantization levels by stepwise incrementing and decrementing according to 11 to recognize. In the present configuration, amplitude values occur 131 from about -25 to about +58 units. Measured from tip to tip this results in a change in length of 83 x 1550 nm = 128.65 μm. As was measured accurately on half-waves, is quantized at this length change in 83 · 2 = 166 stages, which corresponds to an 8-bit conversion. However, it would not be correct to speak of 8-bit accuracy since the maximum amplitude is limited only by the size of the digitally-implemented counter. Resolution and frequency of digital signals 105a . 105b However, are in a reciprocal relationship, since the signal evaluation unit 106 operates with limited clock and therefore is not capable of any fast digital signals 105a . 105b dissolve.

Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform erläutert, die mit mittlerem Implementierungsaufwand realisierbar ist.Hereinafter, another embodiment is explained, which is feasible with medium implementation effort.

Mit der vorangehend beschriebenen Ausführungsform können Längenänderungen mit einer Auflösung entsprechend der halben Lichtwellenlänge erfasst werden. Dass hierbei die halbe Lichtwellenlänge aufgelöst wird, ist darauf zurückzuführen, dass innerhalb einer Periode des nicht phasenverschobenen Eingangssignals zwei Nulldurchgänge auftreten, nämlich bei der Phasenwinkelstellung 0 und bei der Winkelstellung π. Wird berücksichtigt, dass der im modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer für die Interferometrie zuständige N×N-Koppler N Ausgangssignale generiert, die zueinander jeweils um 2π/N phasenverschoben sind, lässt sich mit bestimmten Modifikationen die Auflösung der Längenänderungen um ein Vielfaches verbessern.With the embodiment described above, changes in length can be detected with a resolution corresponding to half the wavelength of the light. The fact that half the wavelength of the light is resolved in this case is due to the fact that two zero crossings occur within one period of the non-phase-shifted input signal, namely in the phase angle position 0 and at the angular position π. Taking into account that the N × N coupler in the modified Mach-Zehnder interferometer generates N output signals which are each phase-shifted by 2π / N, the resolution of the length changes can be improved many times with certain modifications.

In einer Implementierung mit einem 3x3-Koppler führt dies zu der in 10 skizzierten Struktur, wobei in Implementierungsvariante B die in 10 grau hinterlegten Komponenten miteinbezogen werden. Die drei Ausgangssignale 105a, 105b, 105c der Komparatoren 103a, 103b, 103c sind in 14 exemplarisch dargestellt. In der vorangehend beschriebenen Ausführungsform wurden nur die Nulldurchgänge vom digitalen Signal 105a gezählt. Daher wird eine Auflösung der Längenänderung von einer halben Lichtwellenlänge erzielt. Werden jedoch sämtliche Flanken 110 der drei Ausgangssignale 105a, 105b, 105c detektiert, so wird nicht mehr mit der halben Lichtwellenlänge aufgelöst, sondern mit 1/6 der Lichtwellenlänge.In an implementation with a 3x3 coupler this leads to the in 10 sketched structure, where in implementation variant B the in 10 gray deposited components are included. The three output signals 105a . 105b . 105c the comparators 103a . 103b . 103c are in 14 exemplified. In the embodiment described above, only the zero crossings of the digital signal 105a counted. Therefore, a resolution of the change in length of half a wavelength of light is achieved. But all flanks 110 the three output signals 105a . 105b . 105c detected, it is no longer resolved with half the wavelength of the light, but with 1/6 of the wavelength of light.

Allgemein gilt, dass die Auflösung bei Verwendung eines NxN-Kopplers abhängig davon ist, ob N gerade oder ungerade ist. Wird die Wellenlänge des Lichts mit λ bezeichnet, so ergibt sich bei einem ungeraden Wert für N eine maximale Auflösung von λ/2N pro Quantisierungsschritt und bei einem geraden Wert für N eine maximale Auflösung mit λ/N. Somit besitzt ein 4x4-Koppler keine höhere Auflösung als ein 3x3-Koppler. Erst mit einem 5×5-Koppler würde wieder eine Verbesserung der Auflösung erzielt werden (bei einer Wellenlänge von beispielsweise 1550 nm ergibt sich eine Auflösung von 155 nm pro Zählwert). In general, the resolution when using an NxN coupler depends on whether N is even or odd. If the wavelength of the light is denoted by λ, an odd value for N results in a maximum resolution of λ / 2N per quantization step and a straight-line value for N results in a maximum resolution with λ / N. Thus, a 4x4 coupler has no higher resolution than a 3x3 coupler. Only with a 5 × 5 coupler, an improvement of the resolution would again be achieved (at a wavelength of, for example, 1550 nm results in a resolution of 155 nm per count).

Es kann eine weitere Ausführungsform mit höherem Implementierungsaufwand vorgesehen sein.There may be provided a further embodiment with a higher implementation cost.

Vorangehend wurde erläutert, dass innerhalb einer Periode der Phasenwinkel φ0 im Interferenzsignal 91a auch exakt berechnet werden kann. Dies gestattet eine erhebliche Steigerung der Genauigkeit im Vergleich zu den vorangehend erläuterten Implementierungsvarianten B und C, führt jedoch im Gegenzug zu einer Steigerung des Implementierungsaufwands. Anstelle der in Implementierungsvariante A verwendeten Komparatoren 103a, 103b werden zwei schnelle Analog-Digital-Wandler 150a, 150b eingesetzt. Des Weiteren sind die digitalen Signale 151a, 151b in Phasenwinkel umzurechnen, was wegen der Komplexität der dafür erforderlichen Arkussinus-Funktion samt Fallunterscheidung gemäß 11 zu einer erhöhten Komplexität der digitalen Hardware führt. Die Struktur der Auswerteelektronik ist in 15 skizziert.It was explained above that within one period the phase angle φ 0 in the interference signal 91a can also be calculated exactly. This allows a significant increase in accuracy compared to the above-described implementation variants B and C but in turn leads to an increase in the implementation effort. Instead of in the implementation variant A used comparators 103a . 103b become two fast analog-to-digital converters 150a . 150b used. Furthermore, the digital signals 151a . 151b to convert into phase angle, which due to the complexity of the required arcsine function with case distinction according to 11 leads to increased complexity of the digital hardware. The structure of the transmitter is in 15 outlined.

Die grau hinterlegten Komponenten werden in einer Ausgestaltung nicht benötigt. Sie können in einer weiteren Ausgestaltung zur Rauschreduktion verwendet werden. Das Messprinzip wurde in der dargestellten Weise aufgebaut und für die bereits erwähnte Vibrationsanalyse verwendet. Die Antialiasing-Filter 100a, 100b und die Analog-Digital-Wandler 150a, 150b wurden mit Hilfe eines Mehrkanal-Speicheroszilloskops realisiert. Die eingelesenen Daten wurden anschließend offline auf einem PC verarbeitet. Als Programmiersprache kam Python zum Einsatz. Die Wellenlänge des für die Interferometrie verwendeten Lasers 1 kann in einer Ausführung beispielsweise 1550 nm betragen.The gray deposited components are not needed in one embodiment. They can be used in a further embodiment for noise reduction. The measuring principle was constructed as shown and used for the already mentioned vibration analysis. The antialiasing filters 100a . 100b and the analog-to-digital converters 150a . 150b were realized with the help of a multichannel storage oscilloscope. The scanned data was then processed offline on a PC. The programming language was Python. The wavelength of the laser used for interferometry 1 For example, in one embodiment, it may be 1550 nm.

16a zeigt die vom modifizierten Mach-Zehnder-Interferometer kommenden digitalen Signale 151 a, 151b, die wegen des 3×3-Kopplers 90 um einen Phasenwinkel δ = 2π/3 (entsprechend 120°) gegeneinander verschoben sind und Lichtintensitätswerten entsprechen. Die digitalen Signale 151a, 151b sind auf den Maximalwert 1 normiert, um mit dem Definitionsbereich [-1,1] der Arkussinus-Funktion kompatibel zu sein. 16b zeigt die mittels der Arkussinusfunktion und der Fallunterscheidung gemäß 11 berechneten Werte 160a bzw. 160b für den Phasenwinkel φ0 mit dem digitalen Signal 151a bzw. 151b als Eingangssignal. Deutlich sind auf den Kurven zu den Phasenwinkelwerten 160a, 160b Störungen 161 um die Phasenwinkelwerte π/2 und 3π/2 zu erkennen. Diese sind darauf zurückzuführen, dass die Arkussinus-Funktion nicht linear ist. In Bereichen, in denen das Argument nahe bei +1 oder -1 liegt (entsprechend den Phasenwinkelwerten π/2 und -π/2 bzw. 3π/2), führen leichte Änderungen des Werts infolge Rauschens zu erhebliche Phasenwinkelabweichungen. In diesen Bereichen wirkt sich Rauschen somit verstärkt aus. 16a shows the digital signals coming from the modified Mach-Zehnder interferometer 151 a, 151b, which, because of the 3 × 3 coupler 90, are shifted from one another by a phase angle δ = 2π / 3 (corresponding to 120 °) and correspond to light intensity values. The digital signals 151a . 151b are at the maximum value 1 normalized to be compatible with the domain [-1,1] of the arc sine function. 16b shows by means of the arcsine function and the case distinction according to 11 calculated values 160a or. 160b for the phase angle φ 0 with the digital signal 151a or. 151b as input signal. It is clear on the curves to the phase angle values 160a . 160b disorders 161 to detect the phase angle values π / 2 and 3π / 2. These are due to the fact that the arcsine function is not linear. In areas where the argument is close to +1 or -1 (corresponding to the phase angle values π / 2 and -π / 2 and 3π / 2, respectively), slight changes in the value due to noise will lead to significant phase angle deviations. In these areas, noise thus affects more.

Dem Problem wird begegnet, indem die Phasenwinkelstellungen beider digitaler Signale 151a, 151b des modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers, also unter Hinzunahme des phasenverschobenen digitalen Signals 151b, unabhängig voneinander berechnet werden. Da wegen der konstanten Verschiebung um den Phasenwinkel δ nicht beide digitalen Signale 151a, 151b gleichzeitig Werte um ±1 annehmen, treten Störungen 161 für jeden Zeitpunkt immer nur bei einer der beiden Kurven der Phasenwinkelwerten 160a, 160b auf (vgl. 12b). Dieses Phänomen lässt sich zur Rauschreduktion nutzen. Entsprechend lassen sich die beiden Kurven der Phasenwinkelwerten 160a, 160b phasenwinkelabhängig in Intervallen zusammenfügen. In einer alternativen Ausführung kann eine Rauschreduktion durch Berechnung des Mittelwerts aus den Kurven der Phasenwinkelwerten 160a, 160b erzielt werden, wobei vor der Mittelwertberechnung die Verschiebung um den Phasenwinkel δ = 2π/3 zu berücksichtigen ist. Auf diese Weise ergibt sich die Phasenwinkelkurve 162 mit reduzierten Störungen 163, die in 16c dargestellt ist.The problem is addressed by the phase angle positions of both digital signals 151a . 151b of the modified Mach-Zehnder interferometer, ie with the addition of the phase-shifted digital signal 151b , be calculated independently. Because of the constant shift by the phase angle δ not both digital signals 151a . 151b at the same time accepting values around ± 1, faults occur 161 for each time always only one of the two curves of the phase angle values 160a . 160b on (cf. 12b) , This phenomenon can be used for noise reduction. Accordingly, the two curves of the phase angle values can be obtained 160a . 160b Assemble phase-dependent in intervals. In an alternative embodiment, noise reduction may be accomplished by calculating the average of the phase angle value curves 160a . 160b be achieved, wherein before the mean value calculation, the shift by the phase angle δ = 2π / 3 is to be considered. This results in the phase angle curve 162 with reduced interference 163 , in the 16c is shown.

In weiteren Ausführungsformen lassen sich unter Einsatz des optischen Detektors 91f mit Transimpedanzverstärker 92c, des Antialiasing-Filters 110c und des Analog-Digital-Wandlers 150c das digitale Signal 151c, sowie weitere digitale Signale zur Rauschreduktion verwenden, falls ein N×N-Koppler mit N ≥ 4 statt des 3x3-Kopplers 90 sowie dazugehörige Transimpedanzverstärker, Antialiasing-Filter und Analog-Digital-Wandler verwendet werden. Dies kann geschehen zum Beispiel mittels phasenwinkelabhängigen Zusammenfügens in Intervallen oder mittels Verschiebung der weiteren digitalen Signale um Vielfache des Phasenwinkels δ = 2π/N und anschließender Mittelwertbildung analog zur Bildung der Phasenwinkelkurve 162. Anstelle von weiteren Analog-Digital-Wandlern können in einer Ausführungsform auch weitere Komparatoreinheiten verwendet werden.In further embodiments, it is possible to use the optical detector 91f with transimpedance amplifier 92c , the antialiasing filter 110c and the analog-to-digital converter 150c the digital signal 151c , and other digital signals for noise reduction, if an N × N coupler with N ≥ 4 instead of the 3x3 coupler 90 and associated transimpedance, antialiasing and analog-to-digital converters are used. This can be done, for example, by means of phase angle-dependent assembly at intervals or by shifting the further digital signals by multiples of the phase angle δ = 2π / N and subsequent averaging analogously to the formation of the phase angle curve 162 , Instead of further analog-to-digital converters, further comparator units can also be used in one embodiment.

Wird der berechneten Phasenwinkel φ0 mit dem Wert des Gesamtphasenwinkels φ zusammengeführt, ergibt sich die Gesamtphasenwinkelkurve 170, dargestellt in 17. Zum Vergleich ist die Gesamtphasenwinkelkurve 171 abgebildet, welche sich aus dem Verfahren der Implementierungsvariante B mit alleiniger Zählung von Halbperioden ergibt. Bei einer Wellenlänge des Lasers 1 von 1550 nm entspricht jede Stufe 172 einer Längenänderung von 775 nm. Wird das Mittelwertverfahren zur Rauschreduktion entsprechend der Phasenwinkelkurve 162 verwendet, übertragen sich die Störungen 163 auch auf die Gesamtphasenwinkelkurve 170. Dies ist sichtbar anhand weiterer Störungen 173. Die Störungen 173 können vermieden werden durch stückweise Berechnung aus den digitalen Signalen 151a, 151b.Becomes the calculated phase angle φ 0 combined with the value of the total phase angle φ, the total phase angle curve is obtained 170 represented in 17 , For comparison, the total phase angle curve 171 which results from the method of implementation variant B with the sole counting of half periods. At one wavelength of the laser 1 of 1550 nm corresponds to each stage 172 a change in length of 775 nm. The average value method for noise reduction according to the phase angle curve 162 used, the errors are transmitted 163 also on the total phase angle curve 170 , This is visible on the basis of further disturbances 173 , The errors 173 can be avoided by piecewise calculation from the digital signals 151a . 151b ,

Die vorgeschlagene Technologie hat mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.The proposed technology has several advantages over the prior art.

Dehnungs-, Vibrations- und Schallmessungen sind mit einem herkömmlichen Mach-Zehnder-Interferometer nur in speziellen Situationen realisierbar, da der Messbereich auf die Wellenlänge des verwendeten Lichts beschränkt ist. Aus diesem Grund kommen Mach-Zehnder-Interferometer für entsprechende Anwendungen im Allgemeinen nicht zum Einsatz. Die beschriebene Technologie ist von solchen Einschränkungen nicht betroffen. Im Vergleich zum Sagnac-Interferometer lassen sich das Verfahren und die Messvorrichtung mit einer sehr einfachen Auswerteelektronik realisieren. Dies erhöht die Robustheit und senkt die Kosten. Es können verbesserte Dehnungs-, Vibrations- und Schallmessungen ausgeführt werden.Strain, vibration and sound measurements can only be made with a conventional Mach-Zehnder interferometer in special situations, since the measuring range is limited to the wavelength of the light used. For this reason, Mach-Zehnder interferometers are generally not used for such applications. The described technology is not affected by such restrictions. Compared to the Sagnac interferometer, the method and the measuring device can be realized with a very simple evaluation electronics. This increases the robustness and lowers the costs. Improved strain, vibration and sound measurements can be made.

Im Vergleich zum Sagnac-Interferometer ist der Frequenzgang nach unten (zu niedrigen Frequenzen) nicht beschränkt, und es wird keine lange Ausgleichsspule, sondern nur ein kurzer faseroptischer Referenzstrang benötigt. Dies senkt die Kosten.Compared to the Sagnac interferometer the frequency response down (to low frequencies) is not limited, and it is not a long compensation coil, but only a short fiber optic reference strand needed. This reduces the costs.

Das Verfahren und die Messvorrichtung erlauben es, beliebige Streckungen mikrometergenau zu messen. Ein limitierender Faktor kann hierbei die Faser sein, die bei übermäßiger Streckung brechen kann. Weiterhin erlauben es das Verfahren und die Messvorrichtung, analoge Messdaten mit einem Minimum an analoger Schaltungstechnik aufzunehmen. Insbesondere kann in einer Ausführung zum Beispiel auf Analog-Digital-Wandler verzichtet werden, sodass von einem vollständig digitalen Messsensor gesprochen werden kann.The method and the measuring device make it possible to measure any desired extensions with micrometer precision. A limiting factor here can be the fiber, which can break when excessively stretched. Furthermore, the method and the measuring device allow to record analog measurement data with a minimum of analog circuit technology. In particular, in an embodiment, for example, can be dispensed with analog-to-digital converter, so that can be spoken by a fully digital measuring sensor.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.The features disclosed in the above description, the claims and the drawings may be important both individually and in any combination for the realization of the various embodiments.

Claims (15)

Messvorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße, mit: - einem optischen Koppler, welcher N (N ≥ 3) Kopplereingänge, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwelleneingangssignal zu empfangen, und N Kopplerausgänge aufweist, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwellenausgangssignal auszugeben, wobei die Lichtwellenausgangssignale durch Signalverarbeitung im optischen Koppler jeweils eine verschiedene Phase mit einer Koppler-bedingten Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweisen; - einem ersten Lichtwellensignal, welches an einen ersten der Kopplereingänge angelegt ist; - einem zweiten Lichtwellensignal, welches an einen zweiten der Kopplereingänge angelegt ist, wobei das erste und das zweite Lichtwellensignal interferierbar sind und eine Messgrößen-bedingte Phasenverschiebung aufweisen, die einer physikalischen Messgröße entsprechend ausgebildet ist; - einem ersten optischen Interferenzsignal, welches eine erste Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert und an einem ersten der Kopplerausgänge anliegt; - einem zweiten optischen Interferenzsignal, welches eine zweite Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert und an einem zweiten der Kopplerausgänge anliegt, wobei das zweite optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten optischen Interferenzsignal eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweist; - einem ersten optischen Detektor, der eingerichtet ist, an einem ersten Detektoreingang das erste optische Interferenzsignal zu empfangen und an einem ersten Detektorausgang ein erstes elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen; - einem zweiten optischen Detektor, der eingerichtet ist, an einem zweiten Detektoreingang das zweite optische Interferenzsignal zu empfangen und an einem zweiten Detektorausgang ein zweites elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen; und - einer Auswerteinrichtung, die eingerichtet ist, aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ausgangssignal die physikalische Messgröße zu bestimmen.
A physical quantity determining apparatus comprising: - an optical coupler having N (N ≥ 3) coupler inputs arranged to receive a lightwave input signal, respectively, and having N coupler outputs configured to output a lightwave output signal, respectively, the lightwave output signals by signal processing in the optical coupler in each case a different phase with a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) respectively; a first lightwave signal applied to a first one of the coupler inputs; a second lightwave signal applied to a second one of the coupler inputs, the first and second lightwave signals being interferable and having a measurement-related phase shift corresponding to a physical measurand; a first optical interference signal representing a first interference of the first and second lightwave signals and applied to a first one of the coupler outputs; a second optical interference signal representing a second interference of the first and second lightwave signals and applied to a second one of the coupler outputs, wherein the second optical interference signal has a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) having; a first optical detector configured to receive the first optical interference signal at a first detector input and to provide a first electrical output signal at a first detector output; a second optical detector configured to receive the second optical interference signal at a second detector input and to provide a second electrical output signal at a second detector output; and - an evaluation device, which is configured to determine the physical measured variable from the first and the second electrical output signal.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Koppler ein 3x3-Koppler ist.Measuring device after Claim 1 , characterized in that the optical coupler is a 3x3 coupler. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung Folgendes aufweist: - eine erste Verstärkereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem ersten Verstärkereingang das erste elektrische Ausgangssignal zu empfangen und an einem ersten Verstärkerausgang ein erstes Ausgangssignal bereitzustellen; und - eine zweite Verstärkereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem zweiten Verstärkereingang das zweite elektrische Ausgangssignal zu empfangen und an einem zweiten Verstärkerausgang ein zweites Ausgangssignal bereitzustellen.Measuring device after Claim 1 or 2 , characterized in that the evaluation device comprises: a first amplifier device which is set up at a first amplifier input receive first electrical output signal and provide a first output signal at a first amplifier output; and a second amplifier configured to receive, at a second amplifier input, the second electrical output signal and to provide a second output signal at a second amplifier output. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verstärkereinrichtung einen Transimpedanzverstärker aufweist und die zweite Verstärkereinrichtung einen Transimpedanzverstärker aufweist.Measuring device after Claim 3 characterized in that the first amplifier means comprises a transimpedance amplifier and the second amplifier means comprises a transimpedance amplifier. Messvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung Folgendes aufweist: - eine erste Filtereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem ersten Filtereingang das erste elektrische Ausgangssignal des optischen Detektors zu empfangen und an einem ersten Filterausgang ein erstes gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen; und - eine zweite Filtereinrichtung, die eingerichtet ist, an einem zweiten Filtereingang das zweite elektrische Ausgangssignal des optischen Detektors zu empfangen und an einem zweiten Filterausgang ein zweites gefiltertes Ausgangssignal bereitzustellen.Measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device comprises: - a first filter device which is adapted to receive the first electrical output signal of the optical detector at a first filter input and to provide a first filtered output signal at a first filter output; and a second filter means arranged to receive the second electrical output signal of the optical detector at a second filter input and to provide a second filtered output signal at a second filter output. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtereinrichtung einen ersten Anti-Aliasing-Filter und die zweite Filtereinrichtung einen zweiten Anti-Aliasing-Filter aufweisen.Measuring device after Claim 5 , characterized in that the first filter means comprise a first anti-aliasing filter and the second filter means comprise a second anti-aliasing filter. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtereinrichtung einen ersten Hochpassfilter und die zweite Filtereinrichtung einen zweiten Hochpassfilter aufweisen.Measuring device after Claim 5 , characterized in that the first filter device comprises a first high-pass filter and the second filter device comprises a second high-pass filter. Messvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung Folgendes aufweist: - einen ersten Komparator, der eingerichtet ist, an einem ersten Komparatoreingang das erste gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem ersten Komparatorausgang ein erstes digitales Ausgangssignal bereitzustellen; und - einen zweiten Komparator, der eingerichtet ist, an einem zweiten Komparatoreingang das zweite gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem zweiten Komparatorausgang ein zweites digitales Ausgangssignal bereitzustellen.Measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device comprises: - a first comparator which is adapted to receive the first filtered output signal at a first comparator input and to provide a first digital output signal at a first comparator output; and a second comparator configured to receive at a second comparator input the second filtered output signal and to provide a second digital output signal at a second comparator output. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und / oder der zweite Komparator eine Hysterese aufweisen.Measuring device after Claim 8 , characterized in that the first and / or the second comparator have a hysteresis. Messvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung Folgendes aufweist: - einen ersten AD-Wandler, der eingerichtet ist, an einem ersten AD-Wandlereingang das erste gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem ersten AD-Wandlerausgang das erste digitale Ausgangssignal bereitzustellen; und - einen zweiten AD-Wandler, der eingerichtet ist, an einem zweiten AD-Wandlereingang das zweite gefilterte Ausgangssignal zu empfangen und an einem zweiten AD-Wandlerausgang das zweite digitale Ausgangssignal bereitzustellen.Measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device comprises: - a first AD converter which is adapted to receive the first filtered output signal at a first AD converter input and the first digital output at a first AD converter output Provide output signal; and a second AD converter configured to receive the second filtered output signal at a second AD converter input and to provide the second digital output signal at a second AD converter output. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung eine Signalverarbeitung aufweist, die eingerichtet ist, das erste und das zweite digitale Ausgangssignal zu verarbeiten.Measuring device according to one of Claims 8 to 10 , characterized in that the evaluation device has a signal processing which is adapted to process the first and the second digital output signal. Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Folgendes vorgesehen ist: - ein dritter optischer Detektor, der eingerichtet ist, an einem dritten Detektoreingang ein drittes optisches Interferenzsignal von dem optischen Koppler zu empfangen und an einem dritten Detektorausgang ein drittes elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das dritte optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten und dem zweiten optischen Interferenzsignal eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweist; und - die Auswerteinrichtung, die eingerichtet ist, aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten elektrischen Ausgangssignal die physikalische Messgröße zu bestimmen.
Measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that it further comprises: - a third optical detector which is adapted to receive at a third detector input a third optical interference signal from the optical coupler and at a third detector output a third electrical output signal to be provided, wherein the third optical interference signal with respect to the first and the second optical interference signal, a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) having; and - the evaluation device which is set up to determine the physical measured variable from the first, the second and the third electrical output signal.
Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Folgendes vorgesehen ist: - weitere optische Detektoren, die eingerichtet sind, an weiteren Detektoreingängen weitere optische Interferenzsignale von den N Kopplerausgängen (N > 3) zu empfangen und an weiteren Detektorausgängen weitere elektrische Ausgangssignale bereitzustellen, wobei die weiteren optischen Interferenzsignale jeweils paarweise eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweisen; und - die Auswerteinrichtung die eingerichtet ist, aus den weiteren elektrischen Ausgangssignalen der optischen Detektoren die physikalische Messgröße zu bestimmen.
Measuring device after Claim 12 , characterized in that the following further is provided: - further optical detectors which are adapted to receive at further detector inputs further optical interference signals from the N coupler outputs (N> 3) and to provide further electrical output signals at further detector outputs, the further optical interference signals in pairs a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) respectively; and - the evaluation device which is set up to determine the physical measured variable from the further electrical output signals of the optical detectors.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Detektoren Fotodioden sind.Measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the optical detectors are photodiodes. Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Messgröße, mit: - Bereitstellen eines optischen Kopplers, welcher N (N ≥ 3) Kopplereingänge, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwelleneingangssignal zu empfangen, und N Kopplerausgänge aufweist, die eingerichtet sind, jeweils ein Lichtwellenausgangssignal auszugeben, wobei die Lichtwellenausgangssignale durch Signalverarbeitung im optischen Koppler jeweils eine verschiedene Phase mit einer Koppler-bedingten Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweisen; - Anlegen eines ersten Lichtwellensignals an einen ersten der Kopplereingänge; - Anlegen eines zweiten Lichtwellensignals an einen zweiten der Kopplereingänge, wobei das erste und das zweite Lichtwellensignal interferierbar sind und eine Messgrößen bedingte Phasenverschiebung aufweisen, die eine physikalische Messgröße entsprechend ausgebildet ist; - Bereitstellen eines ersten optischen Interferenzsignals, welches eine erste Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert, an einem ersten der Kopplerausgänge; - Bereitstellen eines zweiten optischen Interferenzsignals, welches eine zweite Interferenz des ersten und des zweiten Lichtwellensignals repräsentiert, an einem zweiten der Kopplerausgänge, wobei das zweite optische Interferenzsignal gegenüber dem ersten optischen Interferenzsignal eine Koppler-bedingte Phasenverschiebung ungleich m·π (mit m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) aufweist; - Empfangen des ersten optischen Interferenzsignals an einem ersten optischen Detektor, und Bereitstellen eines ersten elektrischen Ausgangssignals an einem ersten Detektorausgang; - Empfangen des zweiten optischen Interferenzsignals an einem zweiten optischen Detektor , und Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ausgangssignals an einem zweiten Detektorausgang; und - Bestimmen der physikalischen Messgröße mittels einer Auswerteinrichtung aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ausgangssignal.
A method of determining a physical measurand, comprising: providing an optical coupler having N (N ≥ 3) coupler inputs arranged to receive a lightwave input signal, respectively, and having N coupler outputs arranged each having a lightwave output signal output, wherein the lightwave output signals by signal processing in the optical coupler each have a different phase with a coupler-related phase shift not equal to m · π (with m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) respectively; - applying a first lightwave signal to a first one of the coupler inputs; - Applying a second lightwave signal to a second of the coupler inputs, wherein the first and the second lightwave signal are interferable and have a measurement-related phase shift, which is formed according to a physical measurement variable; Providing a first optical interference signal representing a first interference of the first and second lightwave signals at a first one of the coupler outputs; Providing a second optical interference signal representing a second interference of the first and second lightwave signals at a second of the coupler outputs, wherein the second optical interference signal has a coupler-related phase shift different from m.pi. (With m ∈
Figure DE102018104953A1_0001
) having; Receiving the first optical interference signal at a first optical detector, and providing a first electrical output signal at a first detector output; Receiving the second optical interference signal at a second optical detector, and providing a second electrical output signal at a second detector output; and - determining the physical measured variable by means of an evaluation device from the first and the second electrical output signal.
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