DE112015000886T5

DE112015000886T5 - Interferometrischer Sensor mit differenzmodulierter Phasendetektion

Info

Publication number: DE112015000886T5
Application number: DE112015000886.1T
Authority: DE
Inventors: Xun Gu; Sergio Vincenzo Marchese; Klaus Bohnert; Andreas Frank
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-11-10
Also published as: CN106796125B; WO2015124678A1; CN106796125A

Abstract

Es wird ein Sensor mit einem Erfassungselement (8) bereitgestellt, wobei eine Messgröße eine relative Phasenverschiebung zwischen zwei Wellen induziert, ein Phasenmodulator (5) eine Modulation zu der relativen Phasenverschiebung hinzufügt, mindestens zwei Detektoren (10-1, 10-2), wobei ein erster Detektor (10-1) ein Interferenzsignal entsprechend einer relativen Phasenverschiebung, die nicht die durch die Messgröße induzierte relative Phasenverschiebung beinhaltet, detektiert, und wobei ein zweiter Detektor (10-2) ein Interferenzsignal entsprechend einer relativen Phasenverschiebung, die die durch die Messgröße induzierte relative Phasenverschiebung beinhaltet, detektiert, und er ferner eine Signalverarbeitungseinheit (11) umfasst, die ausgelegt ist, die beiden detektierten Interferenzsignale zu analysieren und einen Messgrößenwert von ihnen abzuleiten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen interferometrischen Sensor, der ein moduliertes Phasendetektionsverfahren verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
US 3 707 329 beschreibt eine Vorrichtung zum Analysieren eines Lichtstrahls, der durch eine zu messende Größe moduliert ist. Sie beinhaltet einen mechanischen Lichtchopper, der die Amplitude eines Lichtstrahls vor dem Eintreten in einen elektrooptischen Sensor moduliert.
DE 195 44 778 beschreibt einen Stromsensor, bei dem zwei Abschnitte einer Sensorfaser mit verschiedenen Längen um einen Leiter gewickelt sind.
Sensoren, die auf der Interferenz zwischen zwei Wellen angewiesen sind, typischerweise zwei orthogonale Polarisationsmoden einer Welle, sind in einer großen Vielfalt von technischen Gebieten bekannt und werden darin verwendet (siehe Referenzen [1]–[7]). Die Detektorsignale dieser Sensoren stehen mit dem Kosinus der relativen Phasenverschiebung ϕ zwischen den beiden Wellen in Beziehung. Die Phasenverschiebung kann zum Beispiel mittels eines polarimetrischen Verfahrens detektiert werden. Ein derartiger Sensor benötigt allgemein mehrere Detektorkanäle (z.B. zwei polarimetrische Quadraturkanäle und einen Referenzkanal, der die optische Gesamtleistung misst). Um die hohen Präzisionsanforderungen bei manchen Anwendungen zu erfüllen, z.B. elektrooptische Spannungsmessung bei Gleichstrom, muss eine sehr gute relative Stabilität zwischen mehreren Kanälen (~1–5% relative Kanalstabilität für Schutzgenauigkeit) beibehalten werden, was eine schwerwiegende praktische Herausforderung ist.
Interferometrische Sensoren können auch unter Verwendung der Modulationsphasendetektions(MPD)-Methode, wie beispielsweise in Referenz [8] beschrieben, sowohl in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis als auch mit geschlossenem Regelkreis hergestellt werden. Die MPD-Methode wird allgemein in einem „nicht-reziproken Phasenmodulations“-Verfahren implementiert und gewöhnlich in Glasfasergyroskopen (FOG) und Glasfaserstromsensoren (FOCS) verwendet [9, 10]. Das Patent US7911196 [11] des gleichen Inhabers beschreibt einen Spannungssensor in einer reflektierenden Konfiguration, die ein spannungsmessendes Element (oder mehrere derartige Elemente), einen 45°-Faraday-Rotator und die MPD-Modulations- und -Detektionselektronik integriert. Ein ähnliches System mit einer querausgelegten Spannungszelle kann in [12] gefunden werden.
Wohingegen polarimetrische optische Phasenmessungen normalerweise den Vergleich von mehreren Detektoren gemessenen optischen Leistungen erfordern, wird bei MPD eine schnelle Phasenmodulation zu der zu messenden Phasenverschiebung hinzugefügt und es wird nur ein Detektor benötigt, um die Antwortwellenform zu messen und von ihr die Phasenverschiebung zu berechnen. Die MPD-Phasenverschiebungsberechnung ist unabhängig von dem absoluten Pegel der gemessenen Leistung und daher grundsätzlich unempfänglich für optische Leistungsschwankungen, die sich aus niederfrequenten Schwingungen und Umweltstörungen ergeben, die zwischen verschiedenen Detektoren variieren können, aber die Gestalt der Wellenform, die ein Detektor misst, nicht verändern können (sofern die Störung viel langsamer als die Modulationsfrequenz ist).
Bislang setzt die Konstruktion eines praktischen MPD-Sensors das „nicht-reziproke Phasenmodulations“-Prinzip ein. Derartige Sensoren können weitestgehend in zwei Kategorien unterteilt werden: die Sagnac-Interferometerkonfiguration und die reflektierende Konfiguration. Die optische Konstruktion ist reziprok, d.h. dass alle intrinsischen Phasenverschiebungen, die während der Ausbreitung in der Schaltung akkumuliert werden, sich aufheben müssen. Die messgrößeninduzierte Phasenverschiebung in dem Erfassungselement und die durch den Modulator auferlegte Phasenmodulation sind jedoch nicht-reziprok und summieren sich auf. Zu diesem Zweck müssen die interferierenden Wellen den Phasenmodulator und jegliche verbindenden Fasern zweimal in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, bevor sie den Detektor erreichen. Einmoden(polarisationsbeibehaltende (PM))-Fasern werden benötigt, um die Wellen von und zu dem optischen Phasenmodulator mit einer definierten Phasenverschiebung (und Polarisation) zu übertragen. Für die Signalverarbeitung sind sowohl Verfahren mit geschlossenem Regelkreis als auch offenem Regelkreis entwickelt worden, um die messgrößeninduzierte Phasenverschiebung von der gemessenen Wellenform zu extrahieren, siehe z.B. [8].
Das Prinzip der reziproken Auslegung war in allen praktischen MPD-Sensoren ausschlaggebend, da die intrinsischen Phasenverschiebungen bei sowohl dem Phasenmodulator als auch den PM-Fasern gegenüber Temperatur- und Stressstörungen hochempfindlich sind. Demzufolge würde eine einfache MPD-Vorrichtung ohne die reziproken optischen Anordnungen in einer realen Umgebung nicht funktionieren, da die gemessene Phasenverschiebung durch Umweltstörungen ununterbrochen gestört werden würde. Mit der reziproken Anordnung wurde andererseits gezeigt, dass ein MPD-Sensor eine hervorragende Phasenmessungspräzision mit einer bemerkenswerten Gleichstromstabilität erreichen kann.
Das Implementieren der reziproken optischen Anordnung für eine Einrichtung, die nur aus optischen Fasern besteht, wie etwa ein FOG oder ein FOCS, ist relativ einfach, da in derartigen Einrichtungen eine optische Faser selbst das Erfassungsmedium ist und ein hoher Kopplungswirkungsgrad zwischen den verschiedenen Faseroptikkomponenten durch standardmäßiges Spleißen zuverlässig erreicht werden kann. Für Sensoren, bei denen das Erfassungselement keine Faser aber zum Beispiel ein Massivelement ist, ist die reziproke optische Anordnung mit einem fasergekoppelten optischen Phasenmodulator jedoch deutlich schwieriger zu realisieren. Dies ist der Fall, da das Licht nach dem Durchlaufen des massivoptischen Erfassungselementes in eine Einmodenfaser (in der reflektierenden Konfiguration dieselbe Faser vor dem Erfassungselement) zurückgekoppelt werden muss, und dies mit einem hohen Wirkungsgrad und einer hohen Zuverlässigkeit auszuführen ist selbst eine erhebliche technische Herausforderung.
In Hinsicht auf das oben Genannte, wird es als eine Aufgabe der Erfindung angesehen, interferometrische Sensoren bereitzustellen, die ein Phasendetektionsverfahren mit Differenzmodulation verwenden, ohne ein Koppeln von Licht des Erfassungselementes, das insbesondere ein massivoptisches Erfassungselement sein kann, in eine Einmodenfaser oder einen Wellenleiter zu benötigen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein interferometrischer Sensor mit einem Erfassungselement, bei dem eine Messgröße eine relative Phasenverschiebung zwischen zwei Wellen induziert, einem Phasenmodulator, der eine Modulation zu der relativen Phasenverschiebung hinzufügt, mindestens zwei Detektoren, wobei ein erster Detektor ein Interferenzsignal entsprechend einer relativen Phasenverschiebung detektiert, die die messgrößeninduzierte relative Phasenverschiebung nicht beinhaltet, und wobei ein zweiter Detektor, der ein Interferenzsignal entsprechend einer relativen Phasenverschiebung detektiert, die die messgrößeninduzierte relative Phasenverschiebung beinhaltet, bereitgestellt. Die beiden Signale können verglichen werden, so dass davon ein Messgrößenwert abgeleitet wird.
Der Begriff „Welle“ wird hier in der allgemeinen physikalischen Bedeutung des Wortes verwendet und schliesst alle Arten von Oszillationen ein, die sich in Raum und Zeit ausbreiten. Die Welle kann einen engen oder breiten Spektralinhalt aufweisen, kann langanhaltend oder zeitlich begrenzt sein und kann durch eine Quelle erzeugt oder durch mehrere Quellen synthetisiert werden.
Die Art der Welle kann prinzipiell mechanisch (akustisch), elektromagnetisch (optisch) oder von einer beliebigen anderen Art sein. In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Verwendung von Lichtwellen als Beispiele beschrieben. Die beiden interferierenden Wellen können zum Beispiel zwei orthogonale lineare oder zirkulare Polarisationsmoden einer Lichtwelle sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung durchlaufen die Lichtwellen einen Strahlteiler, nachdem sie durch den Phasenmodulator moduliert wurden, bevor sie in das Erfassungselement eintreten, und zwei Sets aus jeweils einem Polarisator und einem Detektor messen ein Interferenzsignal vor bzw. nach dem Erfassungselement. Phasenverschiebungen werden von den zwei gemessenen Wellenformen unabhängig abgerufen und ihre Differenz ergibt die Phasenverschiebung innerhalb des Erfassungsmediums, was dann zu einem Messgrößenwert umgewandelt wird.
Daher kann, beim Anwenden der vorliegenden Erfindung, ein Sensor mit verminderter Empfindlichkeit gegenüber Phasenverschiebungsänderungen in dem Wellenpfad außerhalb des Erfassungselementes hergestellt werden, wobei nicht gefordert ist, dass die Wellen entlang desselben Pfades zu dem Phasenmodulator zurückkehren.
Um eine einigermaßen hohe Kohärenz zwischen den interferierenden Wellen an den Detektoren beizubehalten, kann vorzugsweise ein Gruppenlaufzeitbiaselement in den Wellenpfad eingeführt werden, damit die intrinsischen relativen Gruppenlaufzeiten zwischen den beiden Wellen, sowohl vor als auch nach dem Erfassungselement, zumindest teilweise kompensiert werden.
Die Gruppenlaufzeitkompensierung kann zusätzlich durch Bestimmen eines Wertes des Interferenzkontrastes oder eines beliebigen ähnlichen oder äquivalenten Maßes von den Interferenzsignalen verbessert werden. Der Interferenzkontrast kann zusätzlich entweder zum Bereitstellen von Periodeninformationen, was dabei behilflich ist, Periodenambiguität von den gemessenen Phasenverschiebungen zu beseitigen und somit den eindeutigen Messbereich zu erweitern, oder als ein Überwachungssignal für eine geregelte Umgebung, die zumindest einige der doppelbrechenden Elemente des Sensors umschließt, verwendet werden.
Die durch den Phasenmodulator induzierte Modulation ist vorteilhafterweise unabhängig von der Messgröße. Zusätzlich dazu ist die Signalverarbeitungseinheit ausgelegt, die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen von der durch den Phasenmodulator induzierten Modulation zu bestimmen. Insbesondere weist die Modulation mindestens eine Spektralkomponente bei einer gegebenen Frequenz auf, die nicht in der Messgröße vorhanden ist, und ist die Signalverarbeitungseinheit ausgelegt, die relative Phasenverschiebung unter Verwendung der gegebenen Frequenz zu bestimmen.
Für Spannungsmessungen oder Messungen des elektrischen Feldes gemäß dieser Erfindung kann das Erfassungselement einen elektrooptischen Quarz, eine kristalline elektrooptische Faser, eine gepolte Faser oder eine Faser oder ein massivoptisches Material, das an ein piezoelektrisches Element angebracht ist, umfassen. Für Kraft- oder Belastungsmessungen gemäß dieser Erfindung kann das Erfassungselement eine optische Faser oder ein massivoptisches Material umfassen. Für optische Magnetfeldsensoren oder Stromsensoren gemäß dieser Erfindung kann das Erfassungselement optische Fasern oder Wellenleiter umfassen, einschließlich speziellen nieder-doppelbrechenden Fasern, Flintglasfasern oder gesponnenen hoch-doppelbrechenden Fasern, massiv-magnetooptischen Materialien, wie etwa Yttrium-Eisen-Granat-Quarze oder Quarzglasblöcke, oder optischen Fasern, Wellenleitern oder massiv-optischen Materialien, die an ein magnetostriktives Element angebracht sind, oder einer Kombinationen davon.
Der Sensor wird vor allem als ein Sensor für Gleichstromsignale und insbesondere für Gleichstromspannungsmessungen oder Messungen des elektrischen Feldes bevorzugt, besonders für Mittel- oder Hochspannungsanwendungen. Er kann jedoch auch potentiell an einem faseroptischen Stromsensor, einem Rotationssensor oder anderen MPD-Sensoren angewendet werden.
Er ist besonders für einen Sensor mit einem Massivsensorelement geeignet.
Die obigen und anderen Aspekte der vorliegenden Erfindung zusammen mit weiteren vorteilhaften Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind ausführlicher in der folgenden Beschreibung und den Figuren beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 veranschaulicht ein erstes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung;
die 2A und 2B stellen Beispiele der Erfindung, die relative Gruppenlaufzeitkompensierung verwenden, dar und
3 veranschaulicht ein Beispiel der Erfindung in einer reflektierenden Konfiguration.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein grundlegendes Beispiel eines differentiellen MPD-Sensors gemäß der Erfindung ist in 1 dargestellt. Eine Lichtquelle 1 erzeugt eine Lichtwelle, die über eine Einmodenfaser zu einem faseroptischen Polarisator 2 geleitet wird. Durch einen 45° Faserspleiß 4 und in beiden Achsen der PM-Fasern 3 befördert, durchläuft die polarisierte Lichtausgabe einen optischen Phasenmodulator 5 zu einem faseroptischen Kollimator 6, in dem das Licht von der PM-Faser 3 ausgekoppelt wird. Ein doppelbrechungsfreier Strahlteiler 7 befindet sich zwischen dem Kollimator und einem Erfassungselement 8. Ein Zweig der durch den Strahlteiler 7 geteilten Lichtausgabe durchläuft einen ersten Massivlinearpolarisator 9-1 und wird durch einen ersten Photodetektor 10-1 detektiert. Der andere Zweig der Lichtausgabe durchläuft das Erfassungselement 8 und einen zweiten Massivlinearpolarisator 9-2 und wird durch einen zweiten Photodetektor 10-2 detektiert. Die Ausgangssignale der beiden Detektoren 10-1, 10-2 sind Eingaben in eine Signalverarbeitungseinheit 11. Die optischen Achsen des Erfassungsmediums 8 sind parallel ausgerichtet und die Achsen der Massivlinearpolarisatoren 9-1, 9-2 sind mit 45° zu den Achsen der PM-Faser 3 ausgerichtet, die mit dem Phasenmodulator 5 verbunden ist. Der optische Phasenmodulator kann ein LiNbO₃ Doppelbrechungsphasenmodulator mit integrierter Optik [8, 10] oder ein Modulator der Y-Art mit einem 90° PM-Faserspleiß in einem der Zweige, wie in Referenz [9] beschrieben, sein. Eine andere Möglichkeit ist ein Phasenmodulator, der aus einem piezoelektrischen Transducer mit daran angebrachter Faser besteht [9].
Der Phasenmodulator 5 fügt eine Phasenmodulation zu der relativen Phasenverschiebung zwischen den beiden interferierenden Wellen hinzu und die Signalverarbeitungseinheit führt eine unabhängige MPD-Signalverarbeitung unter Verwendung der an den beiden Photodetektoren 10-1 und 10-2 gemessenen Wellenformen aus und berechnet zwei jeweilige Phasenverschiebungen. Die an dem Detektor 10-1 gemessene Wellenform ergibt eine erste Phasenverschiebung ϕ₁ zwischen dem Spleiß 4 und dem Polarisator 9-1 und die an dem Detektor 10-2 gemessene Wellenform ergibt eine zweite Phasenverschiebung ϕ₂ zwischen dem Spleiß 4 und dem Polarisator 9-2.
Die Differenz der beiden gemessenen Phasenverschiebungen Δϕ = ϕ₂ – ϕ₁ entspricht demzufolge der Phasenverschiebung innerhalb des Erfassungsmediums 8. Die differentielle Phasenmessung Δϕ wird nicht durch irgendwelche Phasenverschiebungsveränderungen zwischen dem Polarisator 2 und dem Strahlteiler 7 beeinflusst, sofern die MPD-Modulationsfrequenz viel höher als die Störfrequenz ist, so dass die Störung gleichzeitig und in gleichem Maße durch die ϕ₁- und ϕ₂-Messungen mitverfolgt wird und demzufolge völlig subtrahiert wird.
Für Spannungsmessungen kann ein elektrooptischer Quarz als das Erfassungsmedium 8 verwendet werden, um die zu messende Spannung in eine Phasenverschiebung zwischen den orthogonalen Polarisationsmoden in dem Quarz umzuwandeln. Ein elektrooptischer Quarz ohne natürliche Doppelbrechung (wie etwa Bi₄Ge₃O₁₂, BGO) wird bevorzugt. Ein elektrooptischer Wellenleiter oder eine elektrooptische Faser kann auch als das Spannungserfassungsmedium verwendet werden. Die Endflächen des BGO-Quarzes (die entlang der [001]-Richtung geschnitten sind) sind mit den Elektroden, die den Spannungsabfall V liefern, elektrisch verbunden.
Wie erwähnt, gibt es zwei Arten von MPD-Signalverarbeitungskonfigurationen (siehe auch Referenz [8]): mit offenem Regelkreis und mit geschlossenem Regelkreis. Allgemein gesagt, ist die Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis schwieriger als das Gegenstück mit offenem Regelkreis zu implementieren, ist aber in der Stabilität und in der Linearität der Sensorausgabe überlegen.
Bei der Konfiguration mit offenem Regelkreis wendet der Phasenmodulator eine freilaufende Modulation an und wird die Phasenverschiebung von der gemessenen Wellenform durch die Signalverarbeitungseinheit 11 berechnet. Eine typische Implementierung wird im Patent US6429939 (Referenz [13]) beschrieben, bei der eine sinusförmige Phasenmodulation β(t) verwendet wird und die Phasenverschiebung von den relativen Verhältnissen der verschiedenen harmonischen Leistungen in der gemessenen Wellenform berechnet wird.
Bei einem Sensor mit offenem Regelkreis wird von der berechneten Phasenverschiebung keine Rückkopplung zu der Modulationswellenform ausgeführt, ausgenommen, dass die Modulationsamplitude möglicherweise (aber nicht zwingend) unter Verwendung einer von der gemessenen Wellenform berechneten Ausgabe stabilisiert werden kann.
Im Gegensatz dazu wird bei der Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis [8] der Offset der Phasenmodulationswellenform (oder äquivalent dazu die Phase einer Sägezahnwellenform mit 2π-Amplitude) kontinuierlich durch das Gegenteil der gemessenen Phasenverschiebung über eine Rückkopplungsschleife angepasst, so dass der Phasenverschiebungsarbeitspunkt des Sensors immer bei einem festen Punkt (z.B. Null) beibehalten wird. Ein Detektor und der Phasenmodulator sind über die Signalverarbeitungseinheit 11 in einer Rückkopplungsschleife miteinander verbunden, wobei die abgefragte Phasenverschiebung rückgekoppelt wird, um die Phasenmodulationswellenform zu regeln.
In dem differentiellen MPD-Verfahren der vorliegenden Erfindung gibt es mindestens zwei Detektoren aber gewöhnlich nur einen Phasenmodulator. Demzufolge ist es nicht möglich, eine Detektion mit geschlossenem Regelkreis an beiden Detektorausgängen laufen zu lassen. Es kann entweder Signalverarbeitung mit offenem Regelkreis an beiden Detektorausgängen implementiert werden oder alternativ dazu kann Signalverarbeitung mit geschlossenem Regelkreis an einem der Detektorausgänge (beispielsweise Detektor 10-1) implementiert und Signalverarbeitung mit offenem Regelkreis zum Extrahieren der Phasenverschiebung von dem anderen detektierten Signal (beispielsweise Detektor 10-2) verwendet werden.
Wenn ausgewählt wird, dass eine Signalverarbeitung mit geschlossenem Regelkreis am Detektor 10-1 implementiert wird, wird die Phasenverschiebung von dem Spleißpunkt 4 zu dem Polarisator 9-1 immer an einem festen Sollwert (z.B. Null) beibehalten werden. In diesem Fall ist die Phasenverschiebung in dem Erfassungsmedium 8 einfach die an dem Detektor 10-2 gemessene Phasenverschiebung minus des Sollwertes und es wird keine weitere Subtraktion zwischen den detektierten Signalen prinzipiell benötigt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Kohärenz des durch die Lichtquelle 1 erzeugten Lichts. Obwohl das MPD-Phasenmessprinzip mit einer hochkohärenten Lichtquelle funktionieren würde, wie etwa eine Schmalbandlaserdiode, wird in der Praxis eine Breitbandquelle mit einer kurzen Kohärenzzeit, wie etwa eine Superlumineszenzleuchtdiode (SLED), häufig bevorzugt, um interferierende Wellen zu lokalisieren und Störinterferenz aus Kreuzkopplung bei verschiedenen Faserverbindungsstellen zu vermeiden. Mit einer derartigen niederkohärenten Lichtquelle können Interferenzsignale nur in einem relativ kleinen Bereich festgestellt werden, bei dem sich die relative Gruppenlaufzeit zwischen den beiden Polarisierungen deutlich innerhalb der Quellkohärenzzeit befindet, jenseits welcher der Interferenzkontrast schnell und letztendlich auf Null abfallen würde und das MPD-Phasendetektionsverfahren aufhören würde, zu funktionieren.
Falls eine niederkohärente Lichtquelle verwendet wird, müssen demzufolge die verschiedenen Doppelbrechungskomponenten in dem System, wie etwa die PM-Fasern und die Modulatoren, so konstruiert und angepasst sein, dass sie ihre intrinsischen relativen Gruppenlaufzeiten ausgleichen, so dass die relative Gesamtgruppenlaufzeit zwischen dem Spleißpunkt 4 und den Ausgangspolarisatoren 9-1 und 9-2 minimal gehalten wird und deutlich innerhalb der Kohärenzzeit der Lichtquelle fällt. Zu diesem Zweck kann es bevorzugt sein, ein zusätzliches Gruppenlaufzeitkompensierungselement in den Wellenpfad einzufügen.
Wenn sich die Umgebungsbedingungen verändern, können die Temperatur- und Stressempfindlichkeiten der Komponenten und die mögliche inhomogene Umgebung in dem System nichtdestotrotz immer noch verursachen, dass sich die relative Gesamtgruppenlaufzeit langsam von dem minimalen Designwert entfernt. Demzufolge kann es sich in einem Sensorsystem, in dem die Umgebungsstörungen zu groß sind und/oder die Kohärenzzeit der Lichtquelle zu kurz ist, nützlich erweisen, die relative Gesamtgruppenlaufzeit, oder äquivalent dazu den Interferenzkontrast, aktiv zu stabilisieren, um das differentielle MPD-Verfahren erfolgreich zu implementieren. Dies erfordert natürlich die Fähigkeit, den Interferenzkontrast des MPD-Signals zu messen und zu regeln.
Obwohl das MPD-Verfahren herkömmlich nur zum Messen der Phasenverschiebung verwendet wurde, ist es möglich, den Signalverarbeitungsalgorithmus zu erweitern und den Interferenzkontrast auch von dem gemessenen Signal abzuleiten. Es existieren zahlreiche Implementierungen abhängig von Faktoren wie etwa der Modulationswellenform und der Rückkopplungsregelkonfiguration. Im Folgenden wird eine Beispielprozedur für die Interferenzkontrastberechnung mit einer sinusförmigen Modulationswellenform in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis beschrieben, was eine Erweiterung des in dem Patent US6429939 (Referenz [13]) beschriebenen Algorithmus darstellt.
Der Phasenmodulator 5 befindet sich in Reihe mit dem Erfassungsmedium 8, was eine zusätzliche Phasenverschiebungsmodulation β(t) zu der zu messenden Phasenverschiebung ϕ hinzufügt. Ein Detektor, wie etwa Detektor 10-2 in 1, misst die modulierte optische Leistung nach einem Linearpolarisator, wie etwa Polarisator 9-2. Das modulierte Detektorsignal kann als I(t) = I₀/2[1 + A cos(ϕ + β(t))] [1] geschrieben werden, wobei I₀ die Ausgangsleistung der Lichtquelle repräsentiert, ϕ die zu messende Phasenverschiebung bei der Zentralwellenlänge der Wellen ist und A der Interferenzkontrast ist.
Mit einer sinusförmigen Modulation β(t) = β sin(Ωt) kann das Detektorsignal von Gleichung [1] in einer Fourier-Entwicklung als eine Reihe von Oberschwingungen mit verschiedenen Ordnungen k der Modulationsfrequenz Ω geschrieben werden, d.h. I(t) = Σ[B_kcos(kΩt + ξ_k)] [1'] wobei die ersten drei Oberschwingungsamplituden B_k und die Phasen ξ_k B₀ = (I₀/2)[1 + AJ₀(β)cos(ϕ)], ξ₀ = 0 B₁ = I₀AJ₁(β)sin(ϕ), ξ₁ = π/2 B₂ = I₀AJ₂(β)cos(ϕ), ξ₂ = 0 sind, unter Verwendung von Bessel-Funktionen der ersten Art J_k(β). Die Vorzeichen der Oberschwingungskomponenten können durch Vergleichen der Phasen der Oberschwingungskomponenten mit der der Anregungswellenform ermittelt werden.
Ein Vektor oder eine komplexe Zahl kann aus der obigen Repräsentation gebildet werden, was ermöglicht, den Phasenverschiebungshauptwert φ und den Interferenzkontrast A von dem detektierten Signal abzuleiten. Y = B₂/J₂(β) + iB₁/J₁(β) = I₀Aexp(iϕ) [2]
Der Phasenverschiebungshauptwert φ kann als das Argument von Y berechnet werden und der Interferenzkontrast A ist gleich seinem absoluten Wert dividiert durch I₀. Die optische Gesamtleistung I₀ kann als I₀ = 2B₀ – J₀(β)abs(Y)cos(arg(Y)) berechnet werden.
Eine bevorzugte Modulationsamplitude ist β = 1,84 rad, wobei J₁(β) ihr erstes Maximum aufweist; eine weitere bevorzugte Amplitude ist β = 2,63 rad, wobei J₁(β) und J₂(β) gleich sind. Damit das MPD-Verfahren prinzipiell funktioniert, kann die Modulationsamplitude β jedoch beliebig klein sein. Des Weiteren ist bekannt, dass die Modulationsamplitude β auch von den gemessenen Oberschwingungsamplituden berechnet werden kann, z.B. zu dem Zweck der Stabilisierung der Amplitude. Weitere Details der MPD-Signalverarbeitung mit offenem Regelkreis können in den Referenzen [8, 13] gefunden werden.
In dem Beispiel von 1 wird die zusätzliche Messung des Interferenzkontrastes oder ein beliebiger dazu zugehöriger oder äquivalenter Parameter als IC bezeichnet.
Derweil kann der Interferenzkontrast des MPD-Signals, da er durch die Umgebung gestört werden kann, auch durch Regeln einer Umgebungsbedingung geregelt werden. Wie durch den Pfeil IC in 1 angegeben, kann der bestimmte Wert des Interferenzkontrastes oder ein beliebiges zugehöriges Signal zum Regeln von zumindest einigen Parametern des Sensors verwendet werden.
Eine Möglichkeit ist das Regeln der Temperatur des Phasenmodulators in einer Heizungseinrichtung oder einer Peltier-Zelle. Wenn sich die Temperatur verändert, verändern sich auch die Doppelbrechung und die relative Gruppenlaufzeit des Modulatorquarzes. Auf ähnliche Weise kann auch die Temperatur oder die Belastung eines Abschnittes einer PM-Faser geregelt werden. Andere Verfahren des Implementierens einer derartigen Interferenzkontrastregelung können auch einfach entwickelt werden.
Durch das Einsetzen von sowohl der Messung als auch dem Regelmechanismus kann dann eine Rückkopplungsschleife zum Stabilisieren des MPD-Interferenzkontrastes erstellt werden, um ihn daran zu hindern, von dem Kohärenzbereich abzuweichen. Die Rückkopplung muss jedoch weder akkurat noch schnell sein, da der Kohärenzbereich der Lichtquelle allgemein moderat ist und die mögliche Gruppenlaufzeitdrift von Natur aus auch langsam ist.
Als nächstes werden einige Beispiele für relative Gruppenlaufzeitkompensierung in der Konstruktion eines Sensors vorgestellt.
In dem Beispiel von 2A sind zwei im Wesentlichen identische Doppelbrechungsphasenmodulatoren 5 und 5' mit einer relativen Achsenausrichtung von 90° zusammengespleißt, so dass sich ihre intrinsische Doppelbrechung aufhebt. Die Länge der PM-Faser 3 zwischen dem 45° Spleißpunkt 4 und dem 90° Spleißpunkt 4' sollte dieselbe sein wie die PM-Faserlänge zwischen dem 90° Spleißpunkt 4' und dem Kollimator 6, so dass sich ihre Doppelbrechung auch aufhebt. Der Phasenmodulator 5' und die PM-Faser zwischen dem Spleißpunkt 4' und dem Kollimator 6 bilden zusammen ein Gruppenlaufzeitkompensierungselement 20. Zumindest einige der Doppelbrechungselemente können in einem Gehäuse 21 aufbewahrt sein, damit eine einheitliche Umgebung zwischen ihnen beibehalten wird und um vor Beanspruchung und Temperaturschwankungen zu schützen. Der PM-Faserabschnitt 3, der außerhalb des Gehäuses 21 gelassen wird, wird vorzugsweise so kurz wie möglich belassen. Derweil kann die MPD-Phasenmodulation zwischen zwei Phasenmodulatoren 5 und 5' verteilt werden, was ermöglicht, dass jeder Modulator in einem kleineren Bereich arbeitet, möglicherweise mit einer besseren Linearität.
Das Beispiel von 2B ist ähnlich zu 2A, mit dem Unterschied, dass nur ein Phasenmodulator 5 verwendet wird und die intrinsische Doppelbrechung des Phasenmodulatorquarzes 5 durch eine zusätzliche Länge in einem der Abschnitte der PM-Faser 3 (in 2B durch Schleifen angedeutet), die als ein Gruppenlaufzeitkompensierungselement 20 agiert, kompensiert wird. Ein Gehäuse 21 kann gleichermaßen zumindest einige der Doppelbrechungselemente enthalten. Da die Temperatureigenschaften des Phasenmodulatorquarzes 5 und der PM-Faser 3 unterschiedlich sein können, kann dieses Design unter größerer Gruppenlaufzeitdrift als das in 2A dargestellte Design leiden, da sich die Temperatur des Sensors verändert.
Die Messung von IC besitzt einen weiteren Vorteil gegenüber Phasenambiguitätsbeseitigung und Messbereichserweiterung, falls eine niederkohärente Lichtquelle als Quelle 1 verwendet wird, wie folgend erläutert werden kann:
Die Phasenverschiebungsmessung eines Interferenzsensors ist allgemein intrinsisch mehrdeutig hinsichtlich einer 2π-Periode. Die Autokorrelationsfunktion (hier als der Interferenzkontrast bestimmt) einer niederkohärenten Quelle ist jedoch eine schmale Funktion, deren Wert sich signifikant von einer Phasenperiode auf eine andere innerhalb ihrer Kohärenzzeit verändert. Vorausgesetzt, dass der Phasenverschiebungshauptwert (Phasenverschiebung mod 2π innerhalb (–π, +π]) und der Interferenzkontrast gleichzeitig in einem Bereich gemessen werden, in dem die Autokorrelationsfunktion eine starke gleichbleibende Abhängigkeit von der relativen Gruppenlaufzeit aufweist, kann der Interferenzkontrast demzufolge verwendet werden, den gemessenen Phasenverschiebungshauptwert der korrekten Periode zuzuweisen und somit den vollen Wert der relativen Phasenverschiebung eindeutig zu bestimmen.
Somit kann die gleichzeitige Messung der relativen Phasenverschiebung und des IC (oder eines beliebigen zugehörigen Parameters), beispielsweise nach Gleichung [2], in einem Sensor der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um den Phasenverschiebungsmessbereich über 2π hinaus zu erweitern, im Endeffekt auf einen Bereich, der durch den Anstieg und die Gestalt der Autokorrelationsfunktion der Lichtquelle (oder der Kreuzkorrelationsfunktion, falls die Wellen durch zwei verschiedene Quellen erzeugt werden) bestimmt ist.
Ein beliebiges anderes Periodendisambiguierungsverfahren, wie etwa Verwenden von zwei verschiedenen Wellenlängen, kann auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um den eindeutigen Phasenverschiebungsmessbereich über 2π hinaus zu erweitern. Beispiele für derartige Verfahren werden in den Patentanmeldungen WO9805975A1 [6] und EP1179735A1 [7] beschrieben. Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die geometrische Konstruktion des Sensors. 1 stellt ein Beispiel eines Sensors mit durchlässiger Konfiguration dar, bei dem sich die Lichtquelle 1 (und viele andere Komponenten) und der Detektor 10-2 an zwei entgegengesetzten Enden des Erfassungsquarzes befinden. Für das Beispiel eines Spannungssensors führt dies dazu, dass sich mehrere Komponenten, insbesondere einer der Detektoren 10-1 oder 10-2, auf einem Hochspannungspotential befinden. 3 veranschaulicht ein Beispiel eines Spannungssensors mit reflektierender Konfiguration. Bei der reflektierenden Konfiguration wird eine reflektierende Optik 30 an einem Ende (vorzugsweise das Ende bei dem Hochspannungspotential) des Erfassungselementes 8 platziert, während sich alle anderen Optiken an dem anderen Ende (vorzugsweise dem Ende bei dem Massepotential) befinden. Die reflektierende Optik 30 kann ein flacher/gekrümmter Spiegel, ein Gewölbespiegel, ein Tripelspiegel-Retroreflektor oder einfach eine reflektierende Dünnfilmbeschichtung, die auf der Endfläche des Quarzes abgeschieden wurde, sein. Die Reflexion an der reflektierenden Optik 30 sollte idealerweise den Polarisationszustand des Lichts ohne eine Rotation oder eine polarisationsabhängige Phasenverschiebung bewahren. Das Element 20 bezeichnet erneut ein optionales Gruppenlaufzeitkompensierungselement oder wie mit Bezug auf die obigen 2A und 2B beschriebene Elemente.
Die elektrooptische Achse des Quarzes sollte parallel zu den Achsen der PM-Faser 3 ausgerichtet sein. Vorzugsweise sollte der Strahlteiler 7 vor dem Erfassungsmedium 8 mit seinen Achsen um 45° bezüglich der PM-Faser-Achsen ausgerichtet sein, um eine jegliche mögliche Phasenverschiebung auszugleichen, die die beiden interferierenden Wellen von dem Strahlteiler erfahren können. Jegliche residualen Systemphasenverschiebungen, zum Beispiel von dem Strahlteiler, dem Retroreflektor oder von der residualen natürlichen Doppelbrechung des BGO-Quarzes, können durch Kalibrierung charakterisiert und entfernt werden. Die residuale Doppelbrechung von BGO kann auch durch Kombinieren in Reihe von zwei BGO-Quarzen verringert werden, mit antiparallelen [001]-Achsen und die x/y-Achsen gegeneinander um 90° gedreht. Bei dieser Anordnung summieren sich die elektrooptischen Phasenverschiebungen auf, während sich die intrinsische Doppelbrechung aufhebt, was zu einer besseren Nullpunktstabilität führt. Die Detektoren 10-1 und 10-2 können direkt an den verbleibenden Teilen des Sensors angebracht sein oder können alternativ dazu mit dem Sensor über optische Einmoden- oder Mehrmodenfasern verbunden sein.
Obwohl einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung vorliegend dargestellt und beschrieben sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern anderweitig auf verschiedenartige Weisen im Rahmen des Schutzumfanges der folgenden Ansprüche eingesetzt und betrieben werden kann.
ZITIERTE REFERENZEN

[1] G. A. Massey, D. C. Erickson und R. A. Kadlec, „Electromagnetic field components: their measurement using linear electrooptic and magnetooptic effects“, Appl. Opt. Vol. 14, S. 2712–2719, 1975.
[2] K. Bohnert und J. Nehring, „Method and device for the optical determination of a physical quantity”, US5715058 , 1998.
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[12] C. Zhang, X. Feng, S. Liang und C. Li, „Quasi-reciprocal reflective optical voltage sensor based on Pockels effect with digital closed-loop detection technique“, Optics Communications, Vol. 283, S. 3878–3883, 2010.
[13] S. M. Bennett und R. B. Dyott, „DSP Signal Processing for Open Loop Fiber Optic Sensors“, US-Patent US6429939B1 , 2002.

Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: faseroptischer Linearpolarisator
3: polarisationsbeibehaltende(PM)-Faser
4, 4': Faserspleiß
5, 5': optischer Phasenmodulator
6: Kollimator
7: Strahlteiler
8: Erfassungselement
9-1, 9-2: Linearpolarisator
10-2, 10-2: optischer Detektor
11: Signalverarbeitungseinheit
20: Gruppenlaufzeitbiaselement
21: geregeltes Gehäuse
30: reflektierende Optik

Claims

Interferometrischer Sensor, der Folgendes umfasst ein Erfassungselement (8), wobei eine Messgröße eine relative Phasenverschiebung zwischen zwei Wellen hinzufügt, mindestens einen ersten und einen zweiten Detektor (10-1, 10-2), ein Aufspaltelement (7), wobei ein erster Ausgangszweig des Aufspaltelementes zu dem ersten Detektor (10-1) geht und ein zweiter Ausgangszweig des Aufspaltelementes durch das Erfassungselement (8) und zu dem zweiten Detektor (10-2) geht, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ferner einen Phasenmodulator (5) umfasst, der eine Modulation bei der relativen Phasenverschiebung induziert, wobei sich das Aufspaltelement zwischen dem Phasenmodulator (5) und dem Erfassungselement (8) befindet, wobei der erste Detektor (10-1) ein Interferenzsignal entsprechend einer relativen Phasenverschiebung, die nicht die durch die Messgröße induzierte relative Phasenverschiebung beinhaltet, detektiert und wobei der zweite Detektor (10-2) ein Interferenzsignal entsprechend einer relativen Phasenverschiebung, die die durch die Messgröße induzierte relative Phasenverschiebung beinhaltet, detektiert, wobei der Sensor ferner eine Signalverarbeitungseinheit (11) umfasst, die ausgelegt ist, eine relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen von jedem der detektierten Interferenzsignale zu bestimmen und eine für ihre Differenz repräsentative Größe zu verwenden, um einen Messgrößenwert zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 1, der ferner ein Gruppenlaufzeitbiaselement (20) zum Regeln der relativen Gruppenlaufzeit zwischen Wellen, die an dem ersten Detektor (10-1) und an dem zweiten Detektor (10-2) detektiert wurden, umfasst.
Sensor nach Anspruch 2, wobei das Gruppenlaufzeitbiaselement (20) mindestens einen Abschnitt einer polarisationsbeibehaltenden Faser (3) umfasst, die mit anderen Abschnitten mit einer 90°-Mutierung der Doppelbrechungsachsen (4') verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 2, wobei das Gruppenlaufzeitbiaselement (20) mindestens einen zweiten Phasenmodulator (5') umfasst, der im Wesentlichen identisch mit dem Phasenmodulator (5) ist, wobei die beiden Modulatoren mit einer 90°-Mutierung der Doppelbrechungsachsen (4') miteinander verbunden sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei sich das Gruppenlaufzeitbiaselement (20) und der Phasenmodulator (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (21) befinden oder temperiert sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufspaltelement (7) ein massivoptischer Strahlteiler oder ein faseroptischer Mehrzweig-Koppler ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (11) ausgelegt ist, die relative Phasenverschiebung und einen Wert, der repräsentativ für den Interferenzkontrast (IC) ist, von einem beliebigen der Interferenzsignale, abzuleiten.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Phasenmodulator (5) ein elektrooptischer Phasenmodulator, ein Phasenmodulator mit integrierter Optik, insbesondere ein Doppelbrechungsmodulator, ein Modulator der Y-Art oder ein piezoelektrischer Fasermodulator ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenmodulation in einer geschlossenen Rückkopplungsschleife mit einem der zwei detektierten Interferenzsignale geregelt wird und wobei die Messgröße von dem anderen detektierten Interferenzsignal, das durch einen Sollwert der geschlossenen Rückkopplungsschleife modifiziert ist, abgeleitet wird.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellen Lichtwellen, insbesondere orthogonale linearpolarisierte Lichtwellen oder links- und rechtszirkularpolarisierte Lichtwellen, sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messgröße eine elektrische Spannung oder eine elektrische Feldstärke ist und die relative Phasenverschiebung innerhalb des Erfassungselementes der zwischen zwei seiner Endflächen angelegten Spannung entspricht.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassungselement einen elektrooptischen Quarz oder eine elektrooptische Faser, insbesondere eine kristalline elektrooptische Faser oder eine gepolte elektrooptische Faser, oder eine optische Faser und ein piezoelektrisches Material umfasst.
Sensor nach Anspruch 11 oder 12, wobei er ein Sensor mit reflektierender Konfiguration ist, wobei eine reflektierende Optik (30) die Wellen durch das Erfassungselement entlang des gleichen Pfades zurücksendet.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassungselement ein magnetooptisches Material oder eine optische Faser umfasst.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durch den Phasenmodulator (5) induzierte Modulation unabhängig von der Messgröße ist und wobei die Signalverarbeitungseinheit (11) ausgelegt ist, die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen von der durch den Phasenmodulator (5) induzierten Modulation zu bestimmen.