DE102018205722A1 - Distance measurement by reflectometry in optical waveguides - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Sensoranordnung zur Abstandsmessung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoranordnung. Zwei teilreflektierende Bereiche eines Lichtwellenleiters werden an zwei Punkten, deren Abstand zu messen ist, fixiert. Durch reflektometrische Messverfahren kann der Abstand zwischen den teilreflektierenden Bereichen und somit zwischen den beiden Punkten präzise und akkurat gemessen werden.Hierzu ist die Sensoranordnung ausgebildet mit: einem Lichtwellenleiter (20) mit einer ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (21) und einer zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (22), welcher zwischen der ersten Position und der zweiten Position vorgespannt ist;einer Lichteinleitungseinrichtung (12) zum Einleiten von intensitätsmoduliertem Licht in den Lichtwellenleiter (20); undeiner Auswerteeinrichtung (19) zum Bestimmen eines Frequenzspektrums von an der ersten und der zweiten partielle Lichtreflektoreinrichtung (21, 22) reflektiertem Licht;wobei die Auswerteeinrichtung (19) ferner dazu ausgelegt ist,ein Ausgabesignal basierend auf dem bestimmten Frequenzspektrum auszugeben.The invention provides a sensor arrangement for distance measurement and a method for operating such a sensor arrangement. Two partial reflecting portions of an optical waveguide are fixed at two points whose distance is to be measured. By means of reflectometric measuring methods, the distance between the partially reflecting areas and thus between the two points can be measured precisely and accurately. For this purpose, the sensor arrangement is formed with: an optical waveguide (20) having a first partial light reflector device (21) and a second partial light reflector device (22) biased between the first position and the second position; light introducing means (12) for introducing intensity-modulated light into the optical waveguide (20); andan evaluation device (19) for determining a frequency spectrum of light reflected at the first and second partial light reflector means (21, 22); wherein the evaluation means (19) is further adapted to output an output signal based on the determined frequency spectrum.

Description

Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zu Abstandsmessung mittels Reflektometrie in Lichtwellenleitern sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung zur Abstandsmessung mittels Reflektometrie in Lichtwellenleitern.The invention relates to a sensor arrangement for distance measurement by means of reflectometry in optical waveguides and to a method for operating a sensor arrangement for distance measurement by means of reflectometry in optical waveguides.

Stand der TechnikState of the art

In vielen industriellen und energietechnischen Anwendungen müssen Abstände berührungslos und sehr präzise gemessen werden. Dabei muss häufig eine relative Verschiebung von Maschinenteilen im Betrieb relativ zueinander bestimmt werden. Insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen, bei hohen Temperaturen und bei Maschinenteilen auf Hochspannungspotenzial stoßen konventionelle elektrische Sensoren auf der Basis z.B. kapazitiver oder induktiver Messprinzipien an ihre Grenzen.In many industrial and energy applications, distances must be measured without contact and very precisely. Frequently, a relative shift of machine parts in operation relative to each other must be determined. In particular in hard-to-reach areas, at high temperatures and in machine parts at high-voltage potential, conventional electrical sensors based on e.g. Capacitive or inductive measuring principles to their limits.

Ein Beispiel für solche Messmethoden ist eine Verschiebung einer Statorwicklung einer großen elektrischen Maschine gegen ein Gehäuse bzw. gegen ein Blechpaket. In solchen Situationen müssen mitunter bei absoluten Abständen von 10 Metern in Messbereichen von +/- 20 Millimetern Verschiebungen mit Auflösungen von +/- 10 Mikrometern gemessen werden können.An example of such measuring methods is a displacement of a stator winding of a large electric machine against a housing or against a laminated core. In such situations it may sometimes be necessary to measure displacements with resolutions of +/- 10 micrometres at absolute distances of 10 meters in measuring ranges of +/- 20 millimeters.

Bekannt sind verschiedene optische Technologien zur Abstandsmessung. Optische Triangulationssensoren sind vergleichsweise genau und für verschiedene Messebereiche erhältlich, weisen jedoch Nachteile in rauen Umgebungen auf, da die optoelektronische Sende- und Empfangselektronik mitunter empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen ist. Zudem ist der Sensorkopf solche Triangulationssensoren relativ groß.Various optical technologies for distance measurement are known. Optical triangulation sensors are comparatively accurate and available for various measuring ranges, but have disadvantages in harsh environments, since the optoelectronic transmitting and receiving electronics is sometimes sensitive to external influences. In addition, the sensor head such triangulation sensors is relatively large.

Bekannte Verfahren zur interferometrischen Abstandsmessung sind häufig sehr aufwändig und können keine absoluten, sondern nur relative Messungen durchführen.Known methods for interferometric distance measurement are often very expensive and can not perform absolute, but only relative measurements.

Weiterhin existieren Abstandssensoren, die die Laufzeit eines gerichteten Lichtpulses zwischen einem Sensor und einem Messobjekt ermitteln (optische Zeitbereichsreflektometrie, engl. „optical time domain reflectrometry“ OTDR). Für große Abstände werden teilweise laseroptische Freistrahl-Sensoren eingesetzt, welche auf interferometrischer Basis oder auf der Messung der Lichtlaufzeit basieren.Furthermore, distance sensors exist, which determine the propagation time of a directed light pulse between a sensor and a measurement object (optical time domain reflectometry, OTDR). For large distances partially laser optical free-jet sensors are used, which are based on interferometric basis or on the measurement of the light transit time.

Bekannt ist außerdem die optische Frequenzbereichsreflektormetrie (engl. „optical frequency domain reflectometry“, OFDR). OFDR arbeitet nicht wie die OTDR-Technik im Zeitbereich, sondern im Frequenzbereich. Man erhält beim OFDR-Verfahren eine Aussage über den örtlichen Temperaturverlauf, wenn das während der gesamten Messzeit detektierte Rückstreusignal als Funktion der Frequenz und somit komplex gemessen (komplexe Übertragungsfunktion) und anschließend fouriertransformiert wird.Also known is the optical frequency domain reflectometry (OFDR). OFDR does not work like the OTDR technology in the time domain but in the frequency domain. In the OFDR method, a statement about the local temperature profile is obtained if the backscatter signal detected during the entire measuring time is measured as a function of the frequency and thus complex (complex transfer function) and then Fourier-transformed.

Ein OFDR-Verfahren ist beispielsweise in der US 7 515 276 B2 beschrieben.An OFDR method is for example in US Pat. No. 7,515,276 B2 described.

Gegenüber den bekannten Verfahren löst die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine besonders akkurate und präzise Messmethode für absolute Abstände auch unter schwierigen Umweltbedingungen bereitzustellen.Compared to the known methods, the present invention solves the problem of providing a particularly accurate and accurate measurement method for absolute distances even under difficult environmental conditions.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Sensoranordnung zur Abstandsmessung, mit: einem ersten Lichtwellenleiter mit einer ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung an einer ersten Position innerhalb des Lichtwellenleiters und einer zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung an einer zweiten Position innerhalb des Lichtwellenleiters;
wobei der Lichtwellenleiter zumindest zwischen der ersten Position und der zweiten Position vorgespannt ist;
einer Lichteinleitungseinrichtung zum Einleiten von Licht in den Lichtwellenleiter;
einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen eines Frequenzspektrums von an der ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung reflektiertem Licht und von an der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung reflektiertem Licht;
wobei die Auswerteeinrichtung ferner dazu ausgelegt ist, ein Ausgabesignal basierend auf dem bestimmten Frequenzspektrum auszugeben.
According to a first aspect of the invention, this object is achieved by a sensor arrangement for distance measurement, comprising: a first optical waveguide having a first partial light reflector device at a first position within the optical waveguide and a second partial optical reflector device at a second position within the optical waveguide;
wherein the optical fiber is biased at least between the first position and the second position;
a light-emitting device for introducing light into the optical waveguide;
an evaluation device for determining a frequency spectrum of light reflected at the first partial light reflector means and light reflected at the second partial light reflector means;
wherein the evaluation device is further configured to output an output signal based on the determined frequency spectrum.

Unter einer partiellen Lichtreflektoreinrichtung ist ein jeglicher Bereich, oder ein jegliches Element, innerhalb eines Lichtwellenleiters, zu verstehen, welcher bzw. welches dazu in der Lage ist, in den Lichtwellenleiter eingeleitetes licht partiell, d.h. teilweise, zu reflektieren und partiell zu transmittieren.By a partial light reflector device is meant any region, or any element, within an optical waveguide capable of partially transmitting light introduced into the optical waveguide, i. partially, to reflect and to partially transmit.

Die Lichteinleitungseinrichtung kann eine Lichtquelle wie z.B. eine Laserdiode, zum Erzeugen von Licht aufweisen. Das von der Lichteinleitungseinrichtung bereitgestellte Licht ist auch als Lichtsignal, als Testsignal oder als Probesignal bezeichenbar.The light-emitting device may comprise a light source, such as a light source. a laser diode for generating light. The light provided by the light-emitting device can also be labeled as a light signal, as a test signal or as a probe signal.

Das Ausgabesignal kann insbesondere einen Abstand zwischen der ersten und der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung indizieren, z.B. indem das Ausgabesignal eine Nachricht über einen Lichtlaufzeitunterschied oder direkt über einen Abstand trägt. Eine Auswertung des Ausgabesignals zum tatsächlichen Bestimmen des Abstands in Abstandsmessungseinheiten kann beispielsweise nachgelagert durch eine externe Berechnungseinheit erfolgen.In particular, the output signal can indicate a distance between the first and the second partial light reflector device, for example by the output signal carrying a message over a light transit time difference or directly over a distance. An evaluation of the output signal for Actual determination of the distance in distance measuring units can for example be carried out downstream by an external calculation unit.

Bei der Auswerteeinrichtung kann es sich insbesondere um einen Mikrokontroller oder ein anwendungsspezifische integrierte Schaltung („application-specific integrated circuit“, ASIC), handeln.In particular, the evaluation device may be a microcontroller or an application-specific integrated circuit (ASIC).

Weiterhin wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt, mit den Schritten:

  • - Einleiten von intensitätsmoduliertem Licht in den ersten Lichtwellenleiter;
  • - Empfangen von an der ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung reflektiertem Licht;
  • - Empfangen von an der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung reflektiertem Licht;
  • - Bestimmen eines Frequenzspektrums des von der ersten und der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung reflektierten Lichts;
  • - Bestimmen eines Abstands zwischen der ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung und der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung basierend auf dem bestimmten Frequenzspektrum.
Furthermore, according to a second aspect of the invention, a method for operating a sensor arrangement according to the first aspect of the invention is provided, with the steps:
  • - introducing intensity-modulated light into the first optical waveguide;
  • Receiving light reflected at the first partial light reflector means;
  • Receiving light reflected at the second partial light reflector means;
  • Determining a frequency spectrum of the light reflected by the first and second partial light reflector means;
  • Determining a distance between the first partial light reflector means and the second partial light reflector means based on the determined frequency spectrum.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es, einen Abstand mittels eines OFDR-Verfahrens zu bestimmen, wobei selbst bei großen absoluten Abständen kleine Abstandsveränderungen präzise und akkurat messbar sind.The device according to the invention as well as the method according to the invention make it possible to determine a distance by means of an OFDR method, wherein even with large absolute distances small changes in distance can be precisely and accurately measured.

Weitere Vorteile und Varianten ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Further advantages and variants will become apparent from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Sensoranordnung mindestens eine weitere partielle Lichtreflektoreinrichtung an mindestens einer weiteren Position innerhalb des ersten Lichtwellenleiters. Auch die reflektierten Lichtsignale dieser mindestens einen weiteren, z.B. dritten, partiellen Lichtreflektoreinrichtung, können ausgewertet und zum Bestimmen des Abstands und/oder zum Erzeugen des Ausgabesignals verwendet werden. Beispielsweise können die reflektierten Lichtsignale der mindestens einen weiteren partiellen Lichtreflektoreinrichtung zum Plausibilisieren oder zum noch genaueren Bestimmen des Abstands verwendet werden.According to some advantageous embodiments, the sensor arrangement comprises at least one further partial light reflector device at at least one further position within the first optical waveguide. Also, the reflected light signals of these at least one other, e.g. third, partial light reflector means may be evaluated and used to determine the distance and / or to generate the output signal. For example, the reflected light signals of the at least one further partial light reflector device can be used for plausibility checking or for even more accurate determination of the distance.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist mindestens eine der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen als ein Luftspalt realisiert. Ein geringer Luftspalt führt zur so genannten Fresnel-Reflexion und liefert einen Rückreflex von einigen Prozent des einfallenden Lichtes bzw. Lichtsignals.According to some advantageous embodiments, at least one of the partial light reflector means is realized as an air gap. A small air gap leads to the so-called Fresnel reflection and provides a back reflection of a few percent of the incident light or light signal.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist mindestens eine der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen als eine mit einem Laser eingeschriebene Struktur mit anderer Brechzahl realisiert, insbesondere als ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet.According to some advantageous embodiments, at least one of the partial light reflector devices is realized as a structure inscribed with a laser with a different refractive index, in particular as a fiber Bragg grating.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist mindestens eine der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen als ein in den ersten Lichtwellenleiter eingespleißtes Lichtwellenleiterstück anderer Brechzahl ausgebildet.According to some advantageous embodiments, at least one of the partial light reflector means is formed as an optical waveguide piece of different refractive index spliced into the first optical waveguide.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Sensoranordnung ein Schutzrohr, in welchem der erste Lichtwellenleiter zumindest bereichsweise verläuft. Durch das Schutzrohr ist der Lichtwellenleiter zumindest bereichsweise gegen äußere Einflüsse geschützt. Vorteilhaft ist das Schutzrohr bei dem Aufspannen des Lichtwellenleiters mechanisch von diesem entkoppelt.According to some advantageous embodiments, the sensor arrangement comprises a protective tube, in which the first optical waveguide extends at least in regions. Through the protective tube, the optical waveguide is at least partially protected against external influences. Advantageously, the protective tube is mechanically decoupled from the optical waveguide when it is stretched open.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen weist der Lichtwellenleiter eine polymere optische Faser (engl. POF für „polymeric optical fiber“ oder auch „plastic optical fibre“) auf oder besteht aus einer oder mehreren polymeren optischen Fasern. Lichtwellenleiter aus solchen Fasern erlauben eine höhere mechanische Dehnung als Lichtwellenleiter beispielsweise aus Quarzglas.According to some advantageous embodiments, the optical waveguide comprises a polymeric optical fiber ("POF" or "plastic optical fiber") or consists of one or more polymeric optical fibers. Optical fibers made of such fibers allow a higher mechanical strain than optical fibers, for example of quartz glass.

Gemäß einigen vorteilhaften Ausführungsformen sind die Lichteinleitungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung an eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern mit jeweils mindestens zwei partiellen Lichtreflektoreinrichtungen an unterschiedlichen Positionen innerhalb des jeweiligen Lichtwellenleiters angeschlossen. Die Auswerteeinrichtung kann zum Bestimmen des Frequenzspektrums des an den jeweiligen partiellen Lichtreflektoreinrichtungen jedes Lichtwellenleiters reflektierten Lichts und zum Ausgeben mindestens eines darauf basierenden Ausgabesignals ausgebildet sein. Somit kann mit geringem Aufwand in Hardware eine Vielzahl von Abständen bestimmt werden. Besonders vorteilhaft sind hierbei alle partiellen Lichtreflektoreinrichtungen in unterschiedlichen absoluten optischen Abständen innerhalb der Lichtwellenleiter von der Auswerteeinrichtung angeordnet, sodass die Lichtsignale zeitmultiplext werden können.According to some advantageous embodiments, the light introduction device and the evaluation device are connected to a plurality of optical waveguides each having at least two partial light reflector devices at different positions within the respective optical waveguide. The evaluation device can be designed to determine the frequency spectrum of the light reflected at the respective partial light reflector devices of each optical waveguide and to output at least one output signal based thereon. Thus, with little effort in hardware, a plurality of distances can be determined. In this case, all partial light reflector devices in different absolute optical distances within the optical waveguides are particularly advantageously arranged by the evaluation device, so that the light signals can be time-multiplexed.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

  • 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Schrägansicht eines Teils einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung.
The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments given in the schematic figures. It shows:
  • 1 a schematic block diagram of a sensor arrangement according to an embodiment of the first aspect of the present invention;
  • 2 a schematic oblique view of a portion of a sensor arrangement according to another embodiment of the first aspect of the present invention; and
  • 3 a schematic flowchart for explaining a method according to an embodiment of the second aspect of the present invention.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying figures are intended to convey a further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawing are the same, functionally identical and same-acting elements, features and components - unless otherwise stated - each provided with the same reference numerals.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the embodiments

1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Sensoranordnung 10 zur Abstandsmessung gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic block diagram of a sensor arrangement 10 for distance measurement according to an embodiment of the first aspect of the present invention.

Die Sensoranordnung 10 umfasst einen Lichtwellenleiter 20, welcher bevorzugt eine polymere optische Faser (engl. „POF“) aufweist oder aus einer oder mehreren polymeren optischen Fasern besteht.The sensor arrangement 10 includes an optical fiber 20 which preferably comprises a polymeric optical fiber ("POF") or consists of one or more polymeric optical fibers.

In dem Lichtwellenleiter 20 ist an einer ersten Position eine erste partielle Lichtreflektoreinrichtung 21 ausgebildet, welche in den Lichtwellenleiter 20 eingeleitetes Licht teilweise reflektiert. An einer zweiten Position in dem Lichtwellenleiter 20 ist eine zweite partielle Lichtreflektoreinrichtung 22 ausgebildet, welche in den Lichtwellenleiter 20 eingeleitetes Licht ebenfalls teilweise reflektiert.In the optical fiber 20 At a first position is a first partial light reflector means 21 formed, which in the optical waveguide 20 introduced light partially reflected. At a second position in the optical fiber 20 is a second partial light reflector device 22 formed, which in the optical waveguide 20 introduced light also partially reflected.

Die beiden partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 können Licht zu gleichen Anteilen teilweise reflektieren oder zu verschiedenen Anteilen. Es können auch mehr als zwei partielle Lichtreflektoreinrichtungen innerhalb des Lichtwellenleiters 20 vorgesehen sein.The two partial light reflector devices 21 . 22 may partially reflect light in equal proportions or in different proportions. There may also be more than two partial light reflector means within the optical fiber 20 be provided.

Wie im Voranstehenden bereits erläutert wurde, können die partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 insbesondere als Luftspalte, als Faser-Bragg-Gitter oder als eingespleißte Lichtwellenleiterstücke anderer Brechzahl als der restliche Lichtwellenleiter 20 ausgebildet sein. Mehrere der mindestens zwei partiellen Lichtreflektoreinrichtung 21, 22 können auf die gleiche Weise ausgebildet sein; es können aber auch alle partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 auf verschiedene Weise ausgebildet sein.As already explained above, the partial light reflector devices 21 . 22 in particular as air gaps, as a fiber Bragg grating or as spliced optical waveguide pieces of refractive index other than the remaining optical waveguide 20 be educated. Several of the at least two partial light reflector means 21 . 22 may be formed in the same way; but it can also all partial light reflector devices 21 . 22 be formed in various ways.

Die erste und die zweite partielle Lichtreflektoreinrichtung 21, 22 sind jeweils fixiert an den Punkten, zwischen welchen ein Abstand L zu messen ist, beispielsweise an zwei Maschinenteilen. Beispielsweise kann eine die erste partielle Lichtreflektoreinrichtung 21 an einer Statorwicklung und die zweite partielle Lichtreflektoreinrichtung 22 an einem Gehäuse der Statorwicklung angeordnet sein.The first and second partial light reflector means 21 . 22 are each fixed at the points between which a distance L is to be measured, for example on two machine parts. For example, one may be the first partial light reflector device 21 on a stator winding and the second partial light reflector means 22 be arranged on a housing of the stator winding.

Bevorzugt ist der Lichtwellenleiter 20 in seiner Ruhelage, z.B. bei einer Nulllage des zu messenden Abstands L, vorgespannt. Auf diese Weise können auch negative Längenänderungen des Lichtwellenleiters 20 erfasst werden, da sich aufgrund der Vorspannung der Lichtwellenleiter 20 dann vorteilhaft zusammenzieht, anstatt etwa durchzuhängen ohne seine Länge dabei zu verändern.The optical waveguide is preferred 20 in its rest position, eg at a zero position of the distance to be measured L , pretensioned. In this way, also negative changes in length of the optical waveguide 20 be detected because due to the bias of the optical fibers 20 then advantageously contract, rather than sag about without its length change.

Die Sensoranordnung 10 weist weiterhin eine Lichteinleitungseinrichtung 12 zum Einleiten von intensitätsmoduliertem Licht in den Lichtwellenleiter auf. Hierzu kann die Lichteinleitungseinrichtung 12 beispielsweise eine Laserdiode 13 und eine mit der Laserdiode 13 gekoppelte Lichtmodulationseinrichtung 14, z.B. einen Mach-Zehner-Modulator, aufweisen.The sensor arrangement 10 also has a light-emitting device 12 for introducing intensity-modulated light into the optical waveguide. For this purpose, the light introduction device 12 for example, a laser diode 13 and one with the laser diode 13 coupled light modulation device 14 , eg a Mach-Zehner modulator.

Durch ein optisches Element 16 hindurch, bei welchem es sich z.B. um einen Strahlteiler oder einen optischen Isolator handeln kann, wird Licht von der Lichteinleitungseinrichtung 12 in den Lichtwellenleiter 20 eingeleitet. Bei dem optischen Element 16 kann es sich auch beispielsweise um einen 1x2-Koppler oder einen 1x4-Koppler handeln.Through an optical element 16 through, which may be, for example, a beam splitter or an optical isolator, is light from the light-emitting device 12 in the optical fiber 20 initiated. In the optical element 16 it may also be, for example, a 1x2 coupler or a 1x4 coupler.

Über eine Fotodiode 18 zum Umwandeln der reflektierten Lichtsignale in elektrische Signale ist eine Auswerteeinrichtung 19 an das optische Element 16 angeschlossen. Die Auswerteeinrichtung 19 kann beispielsweise als ein Mikroprozessor oder als eine andere Auswerteschaltungsstruktur, z.B. eine ASIC, ein FPGA oder dergleichen ausgebildet sein. Das von den partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 reflektierte Licht wird über das optische Element 16 an die Auswerteeinrichtung 19geleitet. Über das optische Element 16 wird auch das ursprünglich in den Lichtwellenleiter 20 eingekoppelte Lichtsignal von der Lichteinleitungseinrichtung 12 der Auswerteeinrichtung 19 bereitgestellt.Via a photodiode 18 for converting the reflected light signals into electrical signals is an evaluation device 19 to the optical element 16 connected. The evaluation device 19 For example, it may be formed as a microprocessor or as another evaluation circuit structure, eg an ASIC, an FPGA or the like. That of the partial light reflector devices 21 . 22 reflected light is transmitted through the optical element 16 passed to the evaluation device 19. About the optical element 16 is also originally in the optical fiber 20 coupled-in light signal from the light-emitting device 12 the evaluation device 19 provided.

Von der Auswerteeinrichtung 19 kann, unter Verwendung des ursprünglich eingekoppelten Lichtsignals, ein Frequenzspektrum des an den partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 reflektierten Lichts, d.h. eine Frequenzantwort, bestimmt werden. t, sodass die Frequenzantwort mit dem ursprünglich ausgesendeten Lichtsignal korreliert werden kann. From the evaluation device 19 can, using the originally coupled light signal, a frequency spectrum of the partial light reflector means 21 . 22 reflected light, ie a frequency response. t, so that the frequency response can be correlated with the originally emitted light signal.

Nachfolgend kann die Frequenzantwort Fourier-transformiert werden um eine Ergebnis in der Zeitdomäne bzw. Zeitbereichsinformationen zu erhalten, welches wiederum einen Rückschluss auf den Abstand L der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 ermöglicht. Somit kann bereits das Ausgabesignal der Auswerteeinrichtung 19 den Abstand L zwischen den partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 indizieren und als ein Abstandsmessungssignal verstanden werden. Die Auswerteeinrichtung 19 kann auch eine Schaltung, oder eine Softwarekomponente, umfassen, welche die Fourier-Transformation des bestimmten Frequenzspektrums durchführt, sodass das Ausgabesignal der Auswerteeinrichtung 19 bereits Zeitbereichsinformationen angeben kann. Die Auswerteeinrichtung 19 kann auch so ausgebildet sein, dass deren Ausgabesignal direkt den zu messenden Abstand L zwischen den partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 oder angibt.Subsequently, the frequency response can be Fourier transformed to obtain a result in the time domain or time domain information, which in turn can be deduced from the distance L of the partial light reflector devices 21 . 22 allows. Thus, already the output signal of the evaluation 19 the distance L between the partial light reflector means 21 . 22 indexed and understood as a distance measurement signal. The evaluation device 19 may also include a circuit, or a software component, which performs the Fourier transform of the particular frequency spectrum, so that the output signal of the evaluation device 19 already specify time range information. The evaluation device 19 can also be designed so that their output signal directly to be measured distance L between the partial light reflector devices 21 . 22 or indicates.

Einer oder mehrere der oben beschriebenen Schritte können optional auch durch ein Endgerät 50, insbesondere ein mobiles Endgerät wie beispielsweise einen Laptop, ein Tablet, ein Smartphone oder dergleichen, durchgeführt werden, welches an die Auswerteeinrichtung 19 anschließbar ist. Die Auswerteeinrichtung 19 kann entsprechend eine Schnittstelle zum Anschließen eines Endgeräts 50, insbesondere eines mobilen Endgeräts, aufweisen.One or more of the above-described steps may optionally also be performed by a terminal 50 , In particular, a mobile terminal such as a laptop, a tablet, a smartphone or the like, are performed, which to the evaluation 19 is connectable. The evaluation device 19 can accordingly an interface for connecting a terminal 50 , in particular a mobile terminal.

Es versteht sich, dass die Sensoranordnung 10 auch mehrere Lichtwellenleiter 20 umfassen kann, in welche durch die Lichteinleitungseinrichtung 12 ein Lichtsignal eingeleitet wird und eine jeweilige Frequenzantwort durch die Auswerteeinrichtung 19 bestimmt wird. Das optische Element 16 kann hierzu z.B. an einen optischen 1x2-Koppler oder einen optischen 1x4-Koppler angekoppelt werden, oder selbst aus einem solchen Koppler bestehen.It is understood that the sensor arrangement 10 also several optical fibers 20 may include, in which by the light introduction device 12 a light signal is introduced and a respective frequency response by the evaluation device 19 is determined. The optical element 16 For this purpose, for example, can be coupled to a 1x2 optical coupler or a 1x4 optical coupler, or even consist of such a coupler.

In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn alle partiellen Lichtreflektoreinrichtungen unterschiedliche absolute optische Abstände zu der Auswerteeinrichtung 19 aufweisen. Dies wird beispielsweise durch entsprechende Vorlauffasern in den einzelnen Kanälen, d.h. vor den einzelnen Lichtwellenleitern 20, realisiert. Auf diese Weise ist ein gemultiplextes Auswerten der Frequenzantworten der verschiedenen Lichtwellenleiter 20 möglich.In this case it is advantageous if all partial light reflector devices have different absolute optical distances to the evaluation device 19 exhibit. This is done for example by appropriate supply fibers in the individual channels, ie in front of the individual optical waveguides 20 , realized. In this way, a multiplexed evaluation of the frequency responses of the various optical fibers 20 possible.

Die mehreren Lichtwellenleiter 20 einer einzelnen Sensoranordnung 10 können beispielsweise angeordnet sein, um alle denselben Abstand L, oder verschiedene miteinander korrelierte Abstände zu messen, sodass die einzelnen Abstands-Messergebnisse zur gegenseitigen Plausibilisierung oder zum Berechnen eines statistischen Mittelwerts (z.B. eines arithmetischen Mittelwerts oder eines Medians) verwendet werden können. Somit kann die Genauigkeit der Abstandsmessung mit einfachen Mitteln weiter verbessert werden.The multiple optical fibers 20 a single sensor arrangement 10 For example, they can all be arranged at the same distance L or to measure different correlated distances so that the individual distance measurement results can be used for mutual plausibility or for calculating a statistical average (eg, an arithmetic mean or a median). Thus, the accuracy of the distance measurement can be further improved by simple means.

2 zeigt eine schematische Schrägansicht eines Teils einer Sensoranordnung 10 zur Abstandsmessung gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic oblique view of a part of a sensor arrangement 10 for distance measurement according to another embodiment of the first aspect of the present invention.

Die Sensoranordnung 10 gemäß 2 ist eine Variante der Sensoranordnung 10 gemäß 2 und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass zusätzlich ein Schutzrohr 40 vorgesehen ist, in welchem der Lichtwellenleiter 20 zumindest teilweise verläuft.The sensor arrangement 10 according to 2 is a variant of the sensor arrangement 10 according to 2 and differs from this in that in addition a protective tube 40 is provided, in which the optical waveguide 20 at least partially.

In 2 sind außerdem Fixierungseinrichtungen 31, 32 gezeigt, welche die partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 in der Ruhelage vorgespannt in dem Abstand L gemäß einer Nulllage halten. Die Fixierungseinrichtungen 31, 32 können in einfachen Fällen beispielsweise durch eine Klebung oder eine Klemmung realisiert sein. Der Lichtwellenleiter 20 kann jedoch auch in einer Ferrule fixiert sein, welche mechanisch gehaltert wird, sodass der Lichtwellenleiter 20 durch eine mechanische Vorrichtung vorgespannt werden kann. Verringert sich der Abstand L, nimmt die Vorspannung in dem Lichtwellenleiter 20 ab, der Abstand zwischen den partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 verringert sich ebenfalls, und die Frequenzantwort des Lichtwellenleiters 20 ändert sich entsprechend. Erhöht sich der Abstand L, nimmt die Vorspannung in dem Lichtwellenleiter 20, der Abstand zwischen den partiellen Lichtreflektoreinrichtungen 21, 22 erhöht sich, und die Frequenzantwort des Lichtwellenleiters 20 ändert sich wiederum.In 2 are also fixation devices 31 . 32 shown which the partial light reflector means 21 . 22 biased in the rest position in the distance L hold according to a zero position. The fixing devices 31 . 32 can be realized in simple cases, for example by gluing or clamping. The optical fiber 20 However, it can also be fixed in a ferrule, which is mechanically held, so that the optical waveguide 20 can be biased by a mechanical device. Decreases the distance L , takes the bias in the optical fiber 20 ab, the distance between the partial light reflector means 21 . 22 also decreases, and the frequency response of the optical fiber 20 changes accordingly. The distance increases L , takes the bias in the optical fiber 20 , the distance between the partial light reflector means 21 . 22 increases, and the frequency response of the optical fiber 20 changes again.

3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung zum Betreiben einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung. 3 shows a schematic flowchart for explaining a method according to an embodiment of the second aspect of the present invention for operating a sensor arrangement 10 according to an embodiment of the first aspect of the present invention.

Das Verfahren gemäß 3 kann somit gemäß allen bezüglich der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 beschriebenen Varianten und Modifikationen angepasst werden und umgekehrt.The method according to 3 Thus, according to all with respect to the sensor arrangement according to the invention 10 adapted variants and modifications and vice versa.

In einem Schritt S10 wird intensitätsmoduliertes Licht, oder mit anderen Worten: ein Lichtsignal, in den ersten Lichtwellenleiter 20 eingeleitet, beispielsweise wie im Voranstehenden mit Bezug auf die Lichteinleitungseinrichtung 12 beschrieben. Insbesondere kann der Schritt S10 zwei Unterschritte umfassen: einen Schritt S11 des Erzeugens von Licht, durchgeführt etwa durch die Laserdiode 13, und einen Schritt S12 des Intensitätsmodulierens des erzeugten Lichts, etwa durch die Lichtmodulationseinrichtung 14 wie im Voranstehenden beschrieben.In one step S10 becomes intensity modulated light, or in other words a light signal, in the first optical fiber 20 initiated, for example, as in the foregoing with respect to the light-emitting device 12 described. In particular, the step S10 two Sub-steps include: a step S11 producing light, such as through the laser diode 13 , and one step S12 intensity modulating the generated light, such as by the light modulation means 14 as described above.

In einem Schritt S20 wird von der ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung 21 reflektiertes Licht empfangen. In einem Schritt S30 wird von der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung 22 reflektiertes Licht empfangen.In one step S20 is from the first partial light reflector means 21 receive reflected light. In one step S30 is from the second partial light reflector means 22 receive reflected light.

In einem Schritt S40 wird, durch die Auswerteeinrichtung 19 und/oder das Endgerät 50, ein Frequenzspektrum des von der ersten und der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung 21, 22 empfangenen Lichts bestimmt, wie im Voranstehenden beschrieben.In one step S40 is, by the evaluation 19 and / or the terminal 50 , a frequency spectrum of that of the first and second partial light reflector means 21 . 22 received light as described above.

In einem Schritt S50 wird, durch die Auswerteeinrichtung 19 und/oder das Endgerät 50, der Abstand L basierend auf dem bestimmten Frequenzspektrum bestimmt, wie im Voranstehenden beschrieben.In one step S50 is, by the evaluation 19 and / or the terminal 50 , the distance L determined based on the determined frequency spectrum as described above.

In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.In the foregoing detailed description, various features have been summarized to improve the stringency of the illustration in one or more examples. It should be understood, however, that the above description is merely illustrative and not restrictive in nature. It serves to cover all alternatives, modifications and equivalents of the various features and embodiments. Many other examples will be immediately and immediately apparent to one of ordinary skill in the art, given the skill of the art in light of the above description.

Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen.The exemplary embodiments have been selected and described in order to represent the principles underlying the invention and their possible applications in practice in the best possible way. As a result, those skilled in the art can optimally modify and utilize the invention and its various embodiments with respect to the intended use.

Ein einfacher Gedanke der Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden: Zwei teilreflektierende Bereiche eines Lichtwellenleiters werden an zwei Punkten, deren Abstand zu messen ist, fixiert. Durch reflektometrische Messverfahren kann der Abstand zwischen den teilreflektierenden Bereichen und somit zwischen den beiden Punkten präzise und akkurat gemessen werden.A simple idea of the invention can be summarized as follows: Two partial reflecting areas of an optical waveguide are fixed at two points whose distance is to be measured. Reflectometric measuring methods allow a precise and accurate measurement of the distance between the partially reflecting areas and thus between the two points.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Sensoranordnungsensor arrangement
1212
LichteinleitungseinrichtungLight introducing means
1313
Laserdiodelaser diode
1414
LichtmodulationseinrichtungLight modulator device
1616
optisches Elementoptical element
1818
Diodediode
1919
Auswerteeinrichtungevaluation
2020
erster Lichtwellenleiterfirst optical fiber
2121
erste Lichtreflektoreinrichtungfirst light reflector device
2222
zweite Lichtreflektoreinrichtungsecond light reflector means
3131
erste Fixierungseinrichtungfirst fixing device
3232
zweite Fixierungseinrichtungsecond fixing device
4040
Schutzrohrthermowell
5050
Endgerätterminal
S10S10
Einleiten eines LichtsignalsInitiate a light signal
S11S11
Erzeugen von LichtGenerating light
S12S12
Intensitätsmodulieren von LichtIntensity modulating light
S20S20
Empfangen von reflektiertem LichtReceiving reflected light
S30S30
Empfangen von reflektiertem LichtReceiving reflected light
S40S40
Bestimmen des FrequenzspektrumsDetermining the frequency spectrum
S50S50
Bestimmen eines AbstandsDetermining a distance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7515276 B2 [0008]US 7515276 B2 [0008]

Claims (10)

Sensoranordnung (10) zur Abstandsmessung, mit: einem ersten Lichtwellenleiter (20) mit einer ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (21) an einer ersten Position innerhalb des Lichtwellenleiters (20) und einer zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (22) an einer zweiten Position innerhalb des Lichtwellenleiters (20); wobei der erste Lichtwellenleiter (20) zumindest zwischen der ersten Position und der zweiten Position vorgespannt ist; einer Lichteinleitungseinrichtung (12) zum Einleiten von intensitätsmoduliertem Licht in den Lichtwellenleiter (20); und einer Auswerteeinrichtung (19) zum Bestimmen eines Frequenzspektrums von an der ersten und der zweiten partielle Lichtreflektoreinrichtung (21, 22) reflektiertem Licht; wobei die Auswerteeinrichtung (19) ferner dazu ausgelegt ist, ein Ausgabesignal basierend auf dem bestimmten Frequenzspektrum auszugeben.A sensor arrangement (10) for distance measurement, comprising: a first optical waveguide (20) having a first partial light reflector means (21) at a first position within the optical waveguide (20) and a second partial light reflector means (22) at a second position within the optical waveguide (20 ); wherein the first optical fiber (20) is biased at least between the first position and the second position; a light-emitting device (12) for introducing intensity-modulated light into the optical waveguide (20); and an evaluation device (19) for determining a frequency spectrum of light reflected at the first and second partial light reflector means (21, 22); wherein the evaluation device (19) is further adapted to output an output signal based on the determined frequency spectrum. Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1, mit mindestens einer weiteren partiellen Lichtreflektoreinrichtung an mindestens einer weiteren Position innerhalb des ersten Lichtwellenleiters (20).Sensor arrangement (10) according to Claim 1 , with at least one further partial light reflector device at at least one further position within the first optical waveguide (20). Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen (21, 22) als ein Luftspalt realisiert ist.Sensor arrangement (10) according to Claim 1 or 2 , wherein at least one of the partial light reflector means (21, 22) is realized as an air gap. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen (21, 22) als ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildet ist.Sensor arrangement (10) according to one of Claims 1 to 3 wherein at least one of the partial light reflector means (21, 22) is formed as a fiber Bragg grating. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine der partiellen Lichtreflektoreinrichtungen (21, 22) als ein in den ersten Lichtwellenleiter (20) eingespleißtes Lichtwellenleiterstück anderer Brechzahl ausgebildet ist.Sensor arrangement (10) according to one of Claims 1 to 4 wherein at least one of said partial light reflector means (21, 22) is formed as an optical waveguide piece of different refractive index spliced into said first optical waveguide (20). Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Schutzrohr (40), in welchem der erste Lichtwellenleiter (20) zumindest bereichsweise verläuft.Sensor arrangement (10) according to one of Claims 1 to 5 , with a protective tube (40), in which the first optical waveguide (20) extends at least in regions. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Lichtwellenleiter (20) eine polymere optische Faser aufweist.Sensor arrangement (10) according to one of Claims 1 to 6 wherein the optical waveguide (20) comprises a polymeric optical fiber. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichteinleitungseinrichtung (12) und die Auswerteeinrichtung (19) an eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern (20) mit jeweils mindestens zwei partiellen Lichtreflektoreinrichtungen (21, 22) an unterschiedlichen Positionen innerhalb des jeweiligen Lichtwellenleiters (20) angeschlossen sind; und wobei die Auswerteeinrichtung (19) zum Bestimmen des Frequenzspektrums des an den jeweiligen partiellen Lichtreflektoreinrichtungen (21, 22) jedes Lichtwellenleiters (20) reflektierten Lichts und zum Ausgeben mindestens eines darauf basierenden Ausgabesignals ausgebildet ist.Sensor arrangement (10) according to one of Claims 1 to 7 wherein the light introducing means (12) and the evaluating means (19) are connected to a plurality of optical waveguides (20) each having at least two partial light reflector means (21, 22) at different positions within the respective optical waveguide (20); and wherein the evaluation device (19) is designed to determine the frequency spectrum of the light reflected at the respective partial light reflector means (21, 22) of each optical waveguide (20) and to output at least one output signal based thereon. Sensoranordnung (10) nach Anspruch 8, wobei alle partiellen Lichtreflektoreinrichtungen (21, 22) in unterschiedlichen absoluten optischen Abständen innerhalb der Lichtwellenleiter (20) von der Auswerteeinrichtung (19) angeordnet sind.Sensor arrangement (10) according to Claim 8 , wherein all the partial light reflector means (21, 22) are arranged at different absolute optical distances within the optical waveguide (20) of the evaluation device (19). Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: - Einleiten (S10) von intensitätsmoduliertem Licht in den ersten Lichtwellenleiter (20); - Empfangen (S20) von an der ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (21) reflektiertem Licht; - Empfangen (S30) von an der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (22) reflektiertem Licht; - Bestimmen(S40) eines Frequenzspektrums des von der ersten und der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (21, 22) reflektierten Lichts; - Bestimmen (S50) eines Abstands (L) zwischen der ersten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (21) und der zweiten partiellen Lichtreflektoreinrichtung (22) basierend auf dem bestimmten Frequenzspektrum.Method for operating a sensor arrangement (10) according to one of the Claims 1 to 9 , comprising the steps of: - introducing (S10) intensity-modulated light into the first optical waveguide (20); Receiving (S20) light reflected at the first partial light reflector means (21); - receiving (S30) reflected light from the second partial light reflector means (22); - determining (S40) a frequency spectrum of the light reflected by the first and second partial light reflector means (21, 22); - determining (S50) a distance (L) between the first partial light reflector means (21) and the second partial light reflector means (22) based on the determined frequency spectrum.
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