DE19612993C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Magnetfeldänderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Magnetfeldänderungen unter Nutzung optischer Strahlung, indem die Magnetfeldänderung indirekt erfasst wird durch den optischen Nachweis einer Längenänderung, die durch unterschiedliches magnetostriktives Verhalten von mindestens zwei Körpern aus unterschiedlichen Materialien in dem zu detektierenden Magnetfeld verursacht wird.

Die nach dem Stand der Technik bekannten magneto- optischen Sensoren basieren häufig auf dem Faraday- Effekt. Hiernach wird eine Drehung der Polarisationsebene der durch einen transparenten Stoff mit hoher Verdetscher Konstante transmittierten optischen Strahlung durch den Einfluss eines längs zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung verlaufenden Magnetfeldes bewirkt. Als geeignete Materialien für derartige Sensoren kommen seltenerden-dotierte Gläser oder spezielle Kristalle zum Einsatz. Derartige Wirkprinzipien sind beschrieben in GB 2 190 744 A, Faraday-Effekt mit Faserspule (verringerte Doppelbrechung durch Drehung während des Ziehprozesses), WO 8704798 A1, Interferometer als Detektor für magnetische/elektrische Felder mit Laser-Loop, Festkörperlichtquelle und Photodiode als Detektor, Propagation in zwei gegenläufige Richtungen, kohärente Mischung der zwei Teilstrahlen am Richtungskoppler, Detektion des Überlagerungssignals, Faraday-Rotation sowie GB 84-32402, Magnetfeldsensor mit Monomodefaser in Helixform gewunden. Um eine hohe Empfindlichkeit dieser Sensoren zu erreichen, muss der optische Weg der Strahlung im Kristall bzw. Glas längs der Magnetfeldrichtung sehr lang sein, was sich ungünstig auf den Preis, die Größe (lange Kristalle, gewickelte Faser) und die Störanfälligkeit gegen äußere Einflüsse wie Temperaturänderungen, Erschütterungen u. s. w. (mehrfache innere Reflexion) auswirkt.

Ein nach DE 34 03 207 A1 bekannter optischer Sensor arbeitet mit Fabry-Perot-Resonatoren, wobei einer der Resonatoren eine Referenzstrecke bildet.

Nach DE 34 31 769 A1 wird ein faseroptischer Stromsensor so aufgebaut, dass sich zwei Enden von Lichtleitfasern in der Nähe eines elektrischen Leiters gegenüberstehen, von denen mindestens eines der Enden mit einem magnetostriktiven Material beschichtet ist. Die Stromwirkung im elektrischen Leiter bewirkt eine Versetzung der beiden Enden, die optisch ausgewertet wird. Die Anordnung eignet sich nur für eine grobe Messung und somit höchstens für Schutzzwecke.

In EP 0 672 913 A2 ist ein Magnetfeldsensor angegeben, der die durch Magnetostriktion veränderliche Resonanzfrequenz einer Zunge unter amplitudenmoduliertem Licht misst. Hier ist ebenfalls keine Temperaturkompensation vorgesehen.

Die in JP 02069688 A beschriebene optische Magnetfeldmessung beruht auf der Längenänderung eines optischen Leiters, der von einem magnetostriktiven Material umgeben ist. Zur Temperaturkompensation wird eine Referenzstrecke ohne solches magnetostriktives Material verwendet.

Ebenfalls eine Lösung unter der Verwendung einer Referenzstrecke nach einem analogen Prinzip zeigt US 4 376 248 A.

Die bekannten optischen Magnetfeldsensoren arbeiten entweder zu ungenau, da sie keinerlei thermische Kompensation aufweisen oder sie arbeiten grundsätzlich mit einer Referenzstrecke.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen ein kleiner und kompakter, gegenüber Temperaturänderungen unempfindlicher Aufbau eines Magnetfeldsensors gewährleist wird, der auch preiswert in der Herstellung ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den in den Patentansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Danach überwindet eine optische Strahlung eine längenveränderliche Luft- oder Schutzgasstrecke, deren Längenveränderlichkeit durch die Körper mit dem unterschiedlichen magnetostriktiven Verhalten bewirkt wird, und wird nachfolgend als optische Ausgangsstrahlung ausgekoppelt und ausgewertet, wobei die thermischen Einflüsse auf die Längenänderung der Luft- oder Schutzgasstrecke kompensiert werden, indem die Länge des jeweiligen Materials der Körper in Relation zu seinem jeweiligen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten festgelegt wird.

Die optische Eingangsstrahlung wird dabei zweckmäßig in mindestens einen Lichtleiter ein- und/oder ausgekoppelt.

Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass magneto­ striktive Materialien ihre Länge unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes ändern, wobei die relative Längenänderung etwa von derselben Größenordnung wie die entsprechende thermische Längenänderung ist. Unter Beachtung dieser Tatsache lassen sich in Kombination mit verschiedenen optischen und faseroptischen Methoden zum Nachweis der magnetostriktiven Längenänderung Sensoren der eingangs genannten Gattung ausbilden, die robust und kompakt sind sowie eine hohe Nachweisempfindlichkeit besitzen. Das Problem der Unterdrückung des störenden thermischen Einflusses auf die Nachweisempfindlichkeit wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine mechanisch-konstruktive Anordnung gewählt wird, die eine automatische Kompensation der störenden thermischen Längenausdehnung bezüglich des Messsignals bewirkt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine besonders einfache Ausführungsform des faseroptischen Magnetfeldsensors nach der Erfindung,

Fig. 2 eine zu Fig. 1 analoge Ausführungsform in Kompaktbauweise,

Fig. 3a, 3b auf Reflexion basierende Ausführungs­ formen mit nur einer Lichtleitfaser,

Fig. 4 eine auf Reflexion basierende Ausführungsform mit Referenzfaser,

Fig. 5(a-c) auf Interferenz beruhende Ausführungs­ formen,

Fig. 6 eine auf Interferenz basierende Ausführungsform mit hoher Symmetrie,

Fig. 7a, 7b einfache Ausführungsformen mit senkrecht zur optischen Strahlachse verlaufender Magnetostriktionswirkung.

Die Fig. 1 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform der Erfindung. Die von einer optischen Strahlungsquelle (vorzugsweise Lumineszenz- oder Laserdiode) in eine zum faseroptischen Magnetfeldsensor führende Lichtleitfaser 1 eingespeiste optische Strahlung mit der Intensität 11 wird über die im Sensor befindliche freie Luft- oder Schutzgasstrecke der Länge 1 in eine zweite Lichtleitfaser 2 eingekoppelt und zu einem in einer Auswerteelektronikeinheit befindlichen Strahlungsempfänger (nicht dargestellt in Fig. 1) über die Lichtleitfaser 2 geführt. Die Lichtleitfasern können aus Glas und/oder Kunststoff bestehen. Bei konstanter Strahlungsintensität 11 ist die vom Strahlungsempfänger detektierte Intensität 12 eine eindeutige Funktion der Strecke 1 im Sensor, d. h. mit zunehmendem Abstand 1 steigen die optischen Verluste im Sensor und umgekehrt. Die Lichtleitfasern sind mit den rotationssymmetrischen Hülsen 3 und 4 fest verbunden, so dass ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten dieser Hülsen in axialer Richtung zu einer Änderung der Strecke 1 führt, die mit dem Sensor erfasst werden kann. Wenn nun die Hülsen 3 und 4 aus Materialien mit unterschiedlichem magnetostriktivem Verhalten bestehen, kann die infolge eines äußeren Magnetfeldes H hieraus resultierende Längenänderung der Strecke 1 mit dem Sensor nachgewiesen werden. Damit das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten keine unerwünschte Längenänderung der Strecke 1 bzw. der Hülsenlängendistanz d zur Folge hat, muss bezüglich der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Hülsen folgende einfache Beziehung gelten:

a₃.L3 = a₄.L4 (1)

Anhand eines konkreten Beispiels soll die Wirkungsweise und Empfindlichkeit des Sensors im folgenden erläutert werden.

Die Hülse 4 soll aus Eisen und die Hülse 3 aus Nickel bestehen. Aus der Beziehung (1) und den entsprechenden linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten würde sich bei Vorgabe der Länge L4 von beispielsweise 10,000 mm eine Länge L3 von 9,237 mm ergeben (a₄ = 1,21.10^-5, a₃ = 1,31.10^-5). Thermische Einflüsse hätten somit in einem definierten Temperaturbereich (z. B. -50°C . . . +100°C) keine Längenänderung der Distanz d bzw. der Strecke 1 zur Folge, hingegen würde ein axiales Magnetfeld oder eine entsprechende Magnetfeldkomponente eine unterschiedliche Magnetostriktion der beiden Hülsen hervorrufen. Im konkreten Beispiel würde diese bei einer Magnetfeldstärke von H = 50 Oe = 3980 A/m (B = 5 mT) eine Längenänderung von ca. 0,2 mm bewirken. Bei Verwendung von Monomodefasern (1 und 2) von ca. 4 mm Durchmesser, zwischen denen die Strecke 1 etwa 10 bis 20 mm betragen sollte, erscheint ein optischer Nachweis dieser Längenänderung über die Zunahme der Dämpfung des Sensors gerade noch möglich zu sein.

Die Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Grundaufbau des Sensors wie die Fig. 1, wobei durch den Einsatz eines Spiegels oder mikro-optischen Umlenkprismas 5 die Längenänderung der freien optischen Strecke im Vergleich zum vorigen Ausführungsbeispiel verdoppelt wird, was mit einer entsprechenden Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit einhergeht. Darüber hinaus bietet diese Anordnung den zusätzlichen Vorteil einer wesentlich einbaufreundlicheren und kompakteren Bauform des Sensors.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine analoge kompakte Bauform wie die Fig. 2, jedoch erfolgt hier die Ein- und Auskopplung der optischen Strahlung über ein und dieselbe Faser 1. Diese Ausführungsform des faseroptischen Magnetfeldsensors setzt allerdings einen Strahlteiler oder Y-Faserkoppler zur Trennung der Strahlungsintensitäten I1 und I2 an der Auswerteeinheit voraus (in Fig. 3a, 3b nicht dargestellt). Die Fig. 3b zeigt schematisch die vorteilhafte Verwendung mikrooptischer Komponenten wie eine Gradientenindexlinse 6, die einseitig verspiegelt (5) wurde.

Die Fig. 4 zeigt eine ebenfalls auf Reflexion basierende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, wobei durch die Verwendung einer zusätzlichen Referenzfaser eine wesentlich höhere Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messergebnisse erzielt wird. Von der Faser 1 kommend wird die optische Strahlung mit der Intensität I1 über den Reflektor 5 auf zwei höhenversetzt angeordnete Detektionsfasern 2 abgestrahlt und in diese mit unterschiedlichen Intensitäten I2 und I3 eingekoppelt. Aus dem Verhältnis der Intensitäten I2 und 13 bzw. aus dem gemittelten Intensitätsunterschied (I3 - I2)/(I3 + I2) der Intensitäten I2 und I3 kann direkt auf die Längenänderung der freien optischen Strecke und damit auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden.

In der Fig. 5a ist eine Ausführungsform des faseroptischen Magnetfeldsensors schematisch dargestellt, die eine zur Ausführung in Fig. 3a ähnliche Bauform besitzt, jedoch basiert hier der Nachweis der Längenänderung des Spaltes 1 auf der Interferenz an diesem Spalt. Bei der Verwendung von Laserstrahlung können die durch Magnetostriktion hervorgerufenen Abstandsänderungen des Spaltes 1 über die Intensitätsminima bzw. -maxima der reflektierten Strahlung 12 quantitativ erfasst werden, wobei das optische Fenster 7 auf der dem Spiegel 5 zugewandten Fläche eine teilweise Verspiegelung (etwa 50%) für die Laserwellenlänge besitzt, und die Eintrittsfläche der Linse 6 (Gradientenindexlinse) für diese Wellenlänge entspiegelt ist. Die Linse 6 kann selbstverständlich auch auf der gegenüberliegenden Fläche teilweise verspiegelt werden, wodurch auf das optische Fenster 7 verzichtet werden kann.

Die Fig. 5b zeigt eine auf Interferenz basierende Sensor-ausführung unter Verwendung von zwei Lichtleitfasern (Transmissionsanordnung). Auch hier könnten durch entsprechende Verspiegelungen der Linsenflächen die optischen Fenster 7 entfallen.

Es sind noch weitere Ausführungsformen möglich, die auf Interferenzerscheinungen basieren, wie beispielsweise die Ausnutzung Newtonscher Ringe oder Wellenlängenänderungen von Interferenzfilter­ anordnungen.

Die Fig. 6 gibt eine auf Interferenz basierende Transmissionsanordnung eines Sensors wieder, der sich durch eine hohe Symmetrie des Aufbaus auszeichnet, was sich insbesondere auf die Herstellungskosten günstig auswirkt.

In den Fig. 7a und 7b sind Ausführungsformen des Sensors schematisch dargestellt, die eine zur Ausbreitungsrichtung der optischen Strahlung senkrecht wirkende Magnetostriktion ausnutzen, wobei nur einfache auf optischer Dämpfung basierende Transmissions­ anordnungen gezeigt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen unter Nutzung optischer Strahlung, indem die Magnetfeldänderung indirekt erfasst wird durch den optischen Nachweis einer Längenänderung, die durch unterschiedliches magnetostriktives Verhalten von mindestens zwei Körpern aus unterschiedlichen Materialien in dem zu detektierenden Magnetfeld verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass
eine optische Eingangsstrahlung eine längenveränderliche Luft- oder Schutzgasstrecke überwindet, deren Längenveränderlichkeit durch die Körper mit dem unterschiedlichen magnetostriktiven Verhalten bewirkt wird, und nachfolgend als optische Ausgangsstrahlung ausgekoppelt und ausgewertet wird, wobei
die thermischen Einflüsse auf die Längenänderung der Luft- oder Schutzgasstrecke kompensiert werden, indem die Länge des jeweiligen Körpers in Relation zum jeweiligen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten seines Materials festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlung durch mindestens eine Lichtleitfaser ein- und/oder ausgekoppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Längenänderung über eine entsprechende Änderung der aus- bzw. eingekoppelten Strahlungsintensität zweier sich an der Luft- oder Schutzgasstrecke gegenüberstehender Lichtleitfasern nachgewiesen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Nachweis der magnetostriktiven Längenänderung mit Hilfe von Interferenzminima und/oder -maxima erfolgt, die durch Transmission oder Reflektion der optischen Strahlung an einem durch die Luft- oder Schutzgasstrecke gebildeten Spalt hervorgerufen werden, dessen Abstand durch die Magnetostriktion verändert wird.

5. Vorrichtung zur Erfassung von Magnetfeldänderungen unter Nutzung optischer Strahlung, indem die Magnetfeldänderung indirekt erfasst wird durch den optischen Nachweis einer Längenänderung, die durch unterschiedliches magnetostriktives Verhalten von mindestens zwei Körpern aus unterschiedlichen Materialien in dem zu detektierenden Magnetfeld verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luft- oder Schutzgasstrecke (1) zwischen mindestens zwei Hohlzylindern (3, 4) oder Hohlkörpern aus einem Material mit unterschiedlichen Magnetostriktions-Koeffizienten und verschiedenen Durchmessern gebildet ist, wobei der Außendurchmesser der kleineren Hohlzylinder (3) kleiner ist als der Innendurchmesser des größeren Hohlzylinders (4), sich die Hohlzylinder (3) mit dem kleineren Durchmesser in dem Hohlzylinder (4) mit dem größten Durchmesser befinden und alle Hohlzylinder (3, 4) an der der Luft- oder Schutzgasstrecke (1) gegenüberliegenden Seite fest miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Längen (L3, L4) der Hohlzylinder (3, 4) oder -körper durch das Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von deren Materialien bestimmt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch mindestens eine optische Fläche und/oder entsprechend beschichtete Mikrospiegel, Mikrohohlspiegel, Gradientenindexlinsen (6), Dünnschichtmikrolinsen, Mikroprismen (5) oder Arrays bzw. Kombinationen aus solchen Bauelementen, an denen die aus einer mit einem Hohlzylinder (3, 4) oder -körper verbundenen Lichtleitfaser (1) austretende optische Strahlung reflektiert und dieser reflektierte Strahlungsanteil wiederum in diese Lichtleitfaser (1) eingekoppelt wird, wobei die magnetostriktive Längenänderung eine Änderung des Abstandes (1) zwischen Lichtleitfaseraustrittsfläche und den reflektierenden Flächen und eine damit verbundene Intensitätsänderung des in die Lichtleitfaser (1) eingekoppelten reflektierten Strahlungsanteils bewirkt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2), die in verschiedenen Abständen zur reflektierenden Fläche angeordnet sind und in die der reflektierte Strahlungsanteil eingekoppelt wird, wobei die nachzuweisende magnetostriktive Längenänderung mit Hilfe der in diese Lichtleitfasern (1, 2) eingekoppelten reflektierten Strahlungsanteile zu ermitteln ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch drei Hohlzylinder (3, 4) oder -körper mit unterschiedlichen Magnetostriktions-Koeffizienten und Durchmessern, wobei sich zwei dieser Hohlzylinder (3, 4) oder -körper innerhalb des dritten befinden und mit diesem an seinen Enden jeweils einseitig fest verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Strahlungssender Lumineszenzdioden und/oder Laserdioden aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern (1, 2) aus Glas und/oder Kunststoff bestehen.