DE10330363A1

DE10330363A1 - Fabry-Pérot-Faserinterferometer

Info

Publication number: DE10330363A1
Application number: DE2003130363
Authority: DE
Inventors: Harald Kohlhoff
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: DE10330363B4

Abstract

Ein Fabry-Pérot-Faserinterferometer zur Absolutmessung von Verschiebungen weist mindestens einen Lichtwellenleiter (1) mit einem Ende zur Emission von Messlicht und zur Aufnahme von reflektiertem Messlicht und ein dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters gegenüberliegendes reflektierendes Element (3), dessen Lage relativ zu dem einen Ende des Lichtwellenleiters in Richtung von dessen Achse veränderbar ist, auf. Das reflektierende Element ist derart verformbar, dass es in der Richtung senkrecht zur Achse des Lichtwellenleiters an mindestens einer Stelle fixiert ist und an einer anderen Stelle (5) den zu messenden Verschiebungen folgt, wobei es zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle eine durchgehend reflektierende Oberfläche aufweist. Das eine Ende des Lichtwellenleiters ist zur Durchführung einer Messung senkrecht zu seiner Achse über eine zumindest dem Abstand zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle entsprechende Strecke verschiebbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fabry-Pérot-Faserinterferometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Faseroptische Sensoren nach dem Fabry-Pérot-Faserinterferometer-Prinzip werden primär zur genauen Anzeige meist geringer Verschiebungen als – zumindest an der Messstelle – kleines und unkompliziertes Bauteil zur mittelbaren oder unmittelbaren Überwachung bau- und geophysikalischer Messgrößen verwendet. Hierbei werden Interferenzen ausgewertet, die bei der Überlagerung von Laserstrahlen mit ihren durch Reflexion am Messort entstandenen Sekundärstrahlen gebildet werden. Bei Einsatz von Lichtleitfasern zum gleichzeitigen Führen des Primär- und Sekundärstrahls ist dieses Messprinzip auch für lange Wegstrecken und schwer zugängliche Messstellen einsetzbar. Ein weiterer Vorteil besteht in dem Fehlen elektrischer Leitungsverbindungen, so dass galvanisch bzw, elektro statisch bedingte Störgrößen z.B. bei Blitzschlag auch bei großen Entfernungen zwischen Sensor- und Auswerteeinheit entfallen.

Als gravierender Nachteil muss andererseits die Begrenzung der Messstrecke bei Intervall- bzw. sporadischer Auswertung auf Werte unterhalb der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung betrachtet werden. Größere Weglängen zwingen, um etwaige Interferenzdurchgänge durch Wegänderung zu registrieren, zur zeitlich lückenlosen Dokumentation des Messsignals.

Alle Lösungsansätze zu diesem Problem machen von der Maßnahme Gebrauch, mindestens eine weitere Information zu gewinnen oder zu erzeugen und diese schaltungs- oder rechentechnisch mit dem ursprünglichen Interferometersignal zu verknüpfen, um so zu eindeutigen und möglichst absoluten Werten zu gelangen. Als absolut messendes Fabry-Pérot-Faserinterferometer ist das Mehrwellenlängenverfahren bekannt geworden (H. Schäfer; Diplomarbeit: Faseroptische Interferometer zur eindeutigen Dehnungsmessung; Technische Universität Berlin). Hierbei werden mindestens sechs Laser mit festen zueinander unterschiedlichen Wellenlängen verwendet, die über die Schwebungswellenlänge die Berechnung absoluter Wegänderungen zulassen. Ein anderes System verwendet nur drei Laserquellen mit verschiedenen Wellenlängen, allerdings zum Preis einer aufwendigen Stabilisierung der Wellenlänge dieser Laser (M. Schmidt, N. Fürstenau; Fiber-Optic Extrinsic Fabry-Pérot Interferometer Sensors with Tree-Wavelength Digital Phase Demodulation; Deutsches Institut für Luft- und Raumfahrttechnik). Ein dritter Lösungsansatz verwendet eine Weißlichtquelle in Verbindung mit einem speziellen Fizeau-Interferometer und einer CCD-Zeile als Detektorelement (Fa. FISO).

Diese Lösungsansätze beschränken sich ausschließlich auf die elektronische und rechentechnische Auswertung, erhöhen aber gleichzeitig auch den Aufwand an optischen Komponenten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fabry-Pérot-Faserinterferometer zur Absolutmessung von Verschiebungen mit mindestens einem ersten Lichtwellenleiter mit einem Ende zur Emission von Messlicht und zur Aufnahme von reflektiertem Messlicht, und mit einem dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters gegenüberliegenden ersten reflektierenden Element, dessen Lage relativ zu dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters in Richtung von dessen Achse veränderbar ist, so auszubilden, dass es die Möglichkeit einer diskontinuierlichen Messung von Verschiebungen, die größer als die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung sind, auch bei Verwendung eines einfachen und preisgünstigen Fabry-Pérot-Faserinterferometers bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fabry-Pérot-Faserinterferometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Faserinterferometers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, dass das erste reflektierende Element verformbar ist, derart, dass es in der Richtung senkrecht zur Achse des ersten Lichtwellenleiters an mindestens einer Stelle fixiert ist und an einer anderen Stelle den zu messenden Verschiebungen folgt, wobei das erste reflektierende Element zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle eine durchgehend reflektierende Oberfläche aufweist, und dass das eine Ende des ersten Lichtwellenleiters zur Durchführung einer Messung senkrecht zu seiner Achse über eine zumindest dem Abstand zwischen der fixierten und der verschiebbaren Stelle entsprechende Strecke verschiebbar ist, wird bei einem Messvorgang der gesamte zu messende Verschiebeweg erfasst, so dass insoweit ein Messergebnis wie bei einer kontinuierlichen Messung erhalten wird. Daher ist es unbeachtlich, ob sich der Verschiebeweg innerhalb einer Wellenlänge befindet oder mehrere Wellenlängen des Messlichts überspannt.

Vorzugsweise ist die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden Elements in der Richtung senkrecht zur Achse des ersten Lichtwellenleiters auf den Bereich zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle beschränkt. Hierdurch ist sichergestellt, dass bei jedem Messvorgang der Messbereich zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle des ersten reflektierenden Elements in Richtung der Bewegung des ersten Lichtwellenleiters gleich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines absolut messenden Fabry-Pérot-Faserinterferometers,
2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht des Fabry-Pérot-Faserinterferometers nach 1, und
3 eine Prinzipdarstellung eines absolut messenden Fabry-Pérot-Faserinterferometers mit zwei Lichtwellenleitern und zwei reflektierenden Elementen.
Das absolut messende Fabry-Pérot-Faserinterferometer nach den 1 und 2 weist einen Lichtwellenleiter 1 auf, der an einer Halterung 2 befestigt ist, die ausschließlich senkrecht zur Achse des Lichtwellenleiters 1 bewegbar ist. Der Lichtwellenleiter 1 ist zumindest über den Bereich zwischen der ausgezogen dargestellten Lage und der strichliert dargestellten Lage 1' verschiebbar. Während eines Messvorgangs emittiert der Lichtwellenleiter 1 an seiner unteren Stirnfläche Laserlicht und nimmt über dieselbe Stirnfläche reflektiertes Laserlicht auf, so dass Interferenzbilder entstehen, die zur Bestimmung des Abstands einer reflektierenden Fläche von der Stirnfläche verwendet werden können.
Der Stirnfläche des Lichtwellenleiters 1 gegenüber befindet sich ein reflektierendes Element 3, das bandförmig ausgebildet und an seinen Querrändern durch eine Einspannung 4 fixiert ist. Das Element 3 kann beispielsweise auch kreisförmig ausgebildet und entlang seines Umfangs eingespannt sein. Es ist zwischen seinen eingespannten Rändern verformbar und in der Mitte zwischen diesen Rändern, d.h. an der Stelle 5 mit einem nicht gezeigten verschiebbaren Gegenstand, dessen Verschiebung gemessen werden soll, starr gekoppelt. Die Größe der Verschiebung des Gegenstands kann daher über den Abstand des reflektierenden Elements 3 an der Stelle 5 von der Stirnfläche des Lichtwellenleiters 1 ermittelt werden. Die Verformung des reflektierenden Elements 3 erfolgt in der Weise, dass unabhängig vom Verformungsgrad und unabhängig von der Lage des Lichtwellenleiters 1 zwischen den beiden dargestellten Positionen das von der Stirnflä che emittierte Laserlicht stets zu dieser Stirnfläche zurück reflektiert wird.
Zur Durchführung eines Messvorgangs wird der Lichtleiter 1 beispielsweise aus der strichliert dargestellten Lage in die ausgezogen dargestellte Lage verschoben. Hierbei erfasst er eine Auslenkung des reflektierenden Elements 3 um den Weg A. Da der Abstand zwischen der Stirnfläche des Lichtwellenleiters 1 und dem reflektierenden Element 3 an der Einspannung 4 konstant ist, kann der gemessene Weg A direkt zur Bestimmung der Verschiebung des mit dem Element 3 gekoppelten Gegenstands verwendet werden. Die Abtastung des reflektierenden Elements 3 erfolgt hierbei kontinuierlich, wobei alle Interferenzdurchgänge erfasst werden, so dass der Weg A unabhängig von seiner Länge, d.h. unabhängig davon, ob diese Länge größer als eine Wellenlänge des Laserlichts ist oder nicht, bei jedem Messvorgang eigenständig bestimmt wird.
Um definierte Endpunkte für einen Messvorgang zu erhalten, weist das Element 3 nur innerhalb des Bereichs, der sich zwischen den beiden Endstellungen des Lichtwellenleiters 1 erstreckt, eine reflektierende Oberfläche 6 auf. Damit kann sichergestellt werden, dass der Abtastbereich des Lichtwellenleiters 1 für alle Messvorgänge gleich ist.
Zur weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit und zur Funktionskontrolle des absolut messenden Fabry-Pérot-Faserinterferometers können gemäß 3 ein weiterer Lichtwellenleiter 7 sowie ein mit diesem zusammenwirkendes, weiteres reflektierendes Element 8 vorgesehen sein. Das Element 8 ist gegenüber der Einspannung 4 fixiert und der Lichtwellenleiter 7 ist synchron mit dem Lichtwellenleiter 1 zwischen der jeweiligen strichliert und ausgezogen dargestellten Position bewegbar. Die dem Lichtwellenleiter 7 zugewandte, reflektierende Oberfläche des Elements 8 verläuft parallel zur Bewegungsrichtung des Lichtwellenleiters 7 und ist eben. Das über den Lichtwellenleiter 7 empfangene Messsignal ermöglicht eine Kontrolle der Abtastung des reflektierenden Elements 3 durch den Lichtwellenleiter 1 hinsichtlich etwaiger Abweichungen in der Kinematik der Abtastbewegung.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehrere Lichtwellenleiter 1 senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung hintereinander anzuordnen und gemeinsam gegenüber dem Element 3 zu bewegen, so dass dieses entlang mehrerer paralleler Spuren abgetastet wird. Durch Mittelung bzw. Berücksichtigung aller so erhaltenen Messergebnisse kann die Messgenauigkeit zusätzlich erhöht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Fabry-Pérot-Faserinterferometer werden insbesondere die folgenden Vorteile erzielt:
Erweiterung der Funktion des Fabry-Pérot-Faserinterferometers zum absolut messenden Sensor auch bei diskontinuierlichem Anschluss der Auswerteeinheit.
Völlige Unempfindlichkeit gegenüber thermischen Einflüssen durch Abbilden der Messgröße innerhalb nur eines Elements.
Kontrollfunktion auf Plausibilität zeitgleich zur Messung.

Claims

Fabry-Pérot-Faserinterferometer zur Absolutmessung von Verschiebungen mit mindestens einem ersten Lichtwellenleiter (1) mit einem Ende zur Emission von Messlicht und zur Aufnahme von reflektiertem Messlicht, und mit einem dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters (1) gegenüberliegenden ersten reflektierenden Element (3), dessen Lage relativ zu dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters (1) in Richtung von dessen Achse veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste reflektierende Element (3) verformbar ist, derart, dass es in der Richtung senkrecht zur Achse des ersten Lichtwellenleiters (1) an mindestens einer Stelle fixiert ist und an einer anderen Stelle (5) den zu messenden Verschiebungen folgt, wobei das erste reflektierende Element (3) zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle (5) eine durchgehend reflektierende Oberfläche (6) aufweist, und dass das eine Ende des ersten Lichtwellenleiters (1) zur Durchführung einer Messung senkrecht zu seiner Achse über eine zumindest dem Abstand zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle (5) entsprechende Strecke verschiebbar ist.
Fabry-Pérot-Faserinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche (6) des ersten reflektierenden Elements (3) in der Richtung senkrecht zur Achse des ersten Lichtwellenleiters (1) auf den Bereich zwischen der fixierten Stelle und der verschiebbaren Stelle (5) beschränkt ist.
Fabry-Pérot-Faserinterferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere senkrecht zu ihrer Verschiebungsrichtung hintereinander angeordnete erste Lichtwellenleiter (1) vorgesehen sind.
Fabry-Pérot-Faserinterferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites reflektierendes Element (8) sowie ein zweiter Lichtwellenleiter (7) mit einem dem zweiten reflektierenden Element (8) zugewandten Ende zur Emission von Licht und zur Aufnahme von reflektiertem Licht vorgesehen sind, wobei der zweite Lichtwellenleiter (7) synchron mit dem mindestens einen ersten Lichtwellenleiter (1) verschiebbar ist und die dem einen Ende des zweiten Lichtwellenleiters (7) zugewandte Oberfläche des zweiten reflektierenden Elements (8) parallel zur Verschiebungsrichtung des zweiten Lichtwellenleiters (7) liegt und eben ist.