DE19814575A1

DE19814575A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE19814575A1
Application number: DE19814575A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schneider; Anton Pfefferseder; Andreas Hensel; Ulrich Oppelt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-07
Also published as: WO1999050650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Bestimmung wenigstens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters einer Probe, mit wenigstens einem optischen Sender und wenigstens einem optischen Empfänger und einem in einem Strahlengang zwischen dem wenigstens einen optischen Sender und dem wenigstens einen optischen Empfänger angeordneten und der Probe aussetzbaren, bei Parameteränderung der Probe seine Absorption und/oder seinen Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge verändernden, sensitiven Element, insbesondere gassensitiven Element, und gegebenenfalls mit einer dem wenigstens einen optischen Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinheit. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß der wenigstens eine optische Sender (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4) über wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten sensitiven Elementen gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merk malen sowie dessen Verwendung.

Stand der Technik

Es sind verschiedene Arten von Sensoren zur Detektion von Proben und Substanzen bekannt, beispielsweise Gassensoren zur Brandfrüherkennung und Brandmeldung. So sind in der älteren deutschen Patentanmeldung 197 41 335.8 optisch arbeitende Gassensoren beschrie ben, die auf dem Prinzip der Messung einer Wechsel wirkung von bestimmten Gasen mit einer lichtteil durchlässigen Schicht beruhen, wobei ein Absorptions grad von dicht bestimmter Wellenlänge abhängig ist von der Gaskonzentration. Nachteilig an den bekannten optischen Gassensoren sind unter anderem die relativ aufwendigen und voluminösen Meßaufbauten, da neben einem optischen Sender und einem optischen Empfänger eine Anordnung einer gassensitiven Schicht innerhalb eines Strahlenganges zwischen diesen beiden Bauteilen notwendig ist. Insbesondere sind Messungen, bei denen Konzentrationen bestimmter Gase an von den optischen Bauteilen räumlich weiter entfernten und beispiels weise stark temperatur- und/oder schwingungsbelaste ten Meßorten erfaßt werden sollen, nur unter Schwie rigkeiten möglich.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße optische Sensor mit den im Pa tentanspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vor teil, daß durch die räumliche Trennbarkeit des wenig stens einen optischen Senders und des wenigstens ei nen optischen Empfängers sowie wenigstens zwei mit einer Probe, beispielsweise einem Gas oder Gasge misch, wechselwirkenden, die Transmission für Licht bestimmter Wellenlänge verändernden, sensitiven Schichten sehr kompakte und kostengünstige integrier te Bauteile darstellbar sind. Bei einer Koppelung eines vorzugsweise aus optischem Sender und optischem Empfänger bestehenden integrierten Moduls mit den an beliebigen entfernten Orten einsetzbaren sensitiven Schichten über wenigstens einen Lichtwellenleiter ist die völlige räumliche Trennung dieser Baueinheiten voneinander und damit eine Positionierung der gassen sitiven Schichten auch an solchen Orten möglich, wo aufgrund der Platzverhältnisse und/oder der thermi schen und/oder mechanischen Verhältnisse keine emp findlichen optischen und/oder elektronischen Bauteile verwendet und eingebaut werden können.

Durch den Einsatz einer für elektromagnetische Strah lung weitgehend durchlässigen und bei Kontakt mit ei nem Gas oder einem Gasgemisch seine Absorptionseigen schaften und/oder seinen Brechungsindex für elektro magnetische Strahlung verändernden gassensitiven Schicht oder Membran, im folgenden auch als Optode bezeichnet, als sensitives Element können auf ein fache Weise sehr kompakte und miniaturisierbare Gas sensoren hergestellt werden. Unter einer Optode wer den im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere Polymerschichten verstanden, die auf grund in ihr eingelagerter Indikatorsubstanzen eine Abhängigkeit der Lichttransmission von der Konzentra tion eines bestimmten Gases in der die Optode umge benden Atmosphäre zeigen. Erfindungsgemäß eingesetzte Optoden reagieren selektiv und reversibel auf die Konzentration eines bestimmten Gases. Die Wechsel wirkung der in der Optode vorhandenen Indikatorsub stanz führt beispielsweise zu einem zumindest lokalen Maximum der Absorption für elektromagnetische Strah lung, beispielsweise Licht. Die Lage des Absorptions maximums, das heißt der Wellenlängenbereich, liegt typischerweise für jedes spezifische Gas und/oder Gasgemisch bei jeweils unterschiedlichen Wellenlän genwerten der elektromagnetischen Strahlung, wobei zudem die Höhe des Absorptionsmaximums mit der Kon zentration des wechselwirkenden Gases und/oder Gasge misches korreliert ist. Durch Messung der Absorpti onseigenschaften der dem Gas ausgesetzten und mit diesem wechselwirkenden, in der gassensitiven Schicht oder Membran vorhandenen, Indikatorsubstanz können mit relativ einfachen optischen Vorrichtungen sehr geringe Gaskonzentrationen gemessen und nachgewiesen werden. Vorzugsweise spricht die in der gassensitiven Schicht vorhandene, vorzugsweise in einer Polymerma trix eingelagerte, Indikatorsubstanz nur auf ein be stimmtes Gas an, so daß mit verschiedenen Indikator substanzen jeweils gasspezifisch wirkende Sensoren darstellbar sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des optischen Sensors sind wenigstens einer Quelle für elektroma gnetische Strahlung, vorzugsweise einem optischen Sender, und wenigstens einem Detektor für elektroma gnetische Strahlung, vorzugsweise einem optischen Empfänger, - in deren Strahlengang - wenigstens zwei voneinander beabstandete Optoden zwischengeschaltet, die je nach physikalischer und/oder chemischer Wech selwirkung mit einem bestimmten Gas die Transmissi ons- beziehungsweise Absorptionseigenschaften für die elektromagnetische Strahlung verändern. Die wenig stens zwei Optoden sind über wenigstens einen Licht wellenleiter mit dem Sender und Empfänger gekoppelt. Die Quelle für elektromagnetische Strahlung kann bei spielsweise eine Leuchtdiode als optischer Sender sein, die Licht in einem wählbaren Wellenlängen bereich abstrahlt. Ebenso möglich ist die Verwendung einer Laserlichtquelle als Quelle für elektromagne tische Strahlung, was den Vorteil einer sehr exakten Abstimmbarkeit der Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen auf die Lage eines Absorptionsmaximums der Optoden aufweist. Zur Detek tion der elektromagnetischen Strahlung kommt dement sprechend eine Photodiode als optischer Empfänger mit einem auf die abgestrahlte Wellenlänge der Leucht diode oder Laserlichtquelle abgestimmten Frequenzbe reich in Frage. Ein derartiger Aufbau kann in einfa cher Weise mit sehr kostengünstigen Einzelteilen rea lisiert werden. Die im Strahlengang zwischen opti schem Sender und optischem Empfänger angeordneten Optoden werden vorzugsweise entsprechend ihren Ab sorptionseigenschaften bei bestimmten Lichtwellen längen quantitativ geeicht beziehungsweise kali briert, so daß verschiedene Lichtwellenlängen mit verschieden reagierenden Indikatorsubstanzen unter schiedliche Gase detektieren können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei über wenigstens einen Licht wellenleiter mit dem wenigstens einen optischen Sen der und dem wenigstens einen optischen Empfänger ge koppelten Optoden in Reihe geschaltet. Hierdurch kön nen zwei oder mehrere Optoden, die zudem zweckmäßi gerweise voneinander beabstandet sind, an nahezu be liebig entfernten Orten eingesetzt werden. Die nahezu verlustlose Übertragung der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise im Lichtbereich, innerhalb des Lichtwellenleiters ermöglicht die räumliche Tren nung von optischen Sendern und Empfängern von den Optoden. So ist es problemlos möglich, die Optoden an Orten einzusetzen, die aufgrund beispielsweise ihrer Temperaturbelastung zum Einsatz von empfindlichen op tischen und elektronischen Bauteilen ungeeignet sind. Die Optoden können sowohl über eine Reihen- als auch eine Parallelschaltung oder auch in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung mit dem optischen Sender und dem optischen Empfänger gekoppelt sein. Die Gestaltung der Verbindung beziehungsweise Kop pelung des wenigstens einen Lichtwellenleiters mit den Optoden kann in vorteilhafter Weise so ausgeführt sein, daß ein einen Kern des Lichtwellenleiters auf seiner gesamten Länge umgebender Mantel an einzelnen Stellen unterbrochen ist und an diesen Stellen je weils mit einer, die Optoden bildenden, gassensitiven Schicht bedeckt ist. Diese Abschnitte, an denen der Mantel unterbrochen ist, können entweder als bei spielsweise ovale Fenster ausgebildet sein oder auch als Abschnitte, an denen der Kern an seinem gesamten Umfang vom Mantel befreit ist und statt dessen mit der die Optode darstellenden gassensitiven Schicht be deckt ist. Der die Lichtsignale annähernd dämpfungs frei leitende Kern besteht bei herkömmlichen Licht wellenleitern beispielsweise aus Quarzglas.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bre chungsindex (n₂) für Licht des Kernes des Lichtwel lenleiters so gewählt, daß er signifikant über dem Brechungsindex (n₃) für Licht des Mantels liegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Kern des Lichtwel lenleiters geführtes Licht an einer Grenzfläche Kern- Mantel unter Totalreflexion umgelenkt wird und damit den Kern nicht verläßt, womit zudem eine verlustfreie Lichtleitung sichergestellt ist. Durch geeignete Wahl eines Materials für die gassensitive Schicht mit ei nem Brechungsindex (n₃) für Licht der Optode mit ei nem annähernd gleichen Wert wie der Brechungsindex (n₂) für Licht des Kernes kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, daß im Kern geführtes Licht eine Grenzfläche Kern-Optode nahezu verlustfrei ohne Reflexion überwinden kann, jedoch an einer Grenz fläche Optode-Luft unter Totalreflexion zurückgelenkt wird und wieder in den Kern eindringt. Durch eine Wechselwirkung der Optode mit einem umgebenden Gas und/oder Gasgemisch ändert sich das Transmissions verhalten für Licht der Optode. Ein die Optode durch laufender Lichtstrahl wird dabei abgeschwächt. Diese Abschwächung des Lichts kann mittels der dem opti schen Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinheit er faßt und analysiert werden. Durch entsprechend ge wählte Empfindlichkeit können sehr genaue Werte für verschiedene Gaskonzentrationen ermittelt und ange zeigt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Lichtwellenleiter mit mehreren voneinander beabstandeten Optoden versehen, die auf jeweils das gleiche Gas und/oder Gasgemisch sensitiv reagieren. Auf diese Weise kann in einfacher Weise, bei entsprechender Verlegung des Lichtwellenleiters, das Gas und/oder das Gasgemisch an beliebigen Orten schon in sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter auf seiner Länge mit mehreren voneinander beabstandeten Optoden versehen, die auf jeweils unterschiedliche Gase sensitiv sind. Durch geeignete Modulation des vom optischen Sender ausgestrahlten Lichts und ent sprechender Auswertung und Signalzuordnung mittels der dem optischen Empfänger nachgeschalteten Auswer teeinheit kann mit hoher Genauigkeit die Gaskonzen tration an jeder einzelnen Optode ermittelt werden. Hierzu ist es zweckmäßig, die Laufzeit der Impulse zu analysieren und auf diese Weise die verschiedenen Signale den verschiedenen Optoden genau zuzuordnen, wobei dazu das an den als Störstellen im Lichtleiter wirkenden Optoden reflektierte Signal ausgewertet wird. Der wenigstens eine Lichtwellenleiter kann in vorteilhafter Weise ringförmig ausgebildet sein, wo durch eine einfache verdeckte Verlegung auch inner halb größerer Areale sowie eine eindeutige Zuorden barkeit der zum optischen Empfänger gelangenden Signale zu den einzelnen Optoden ermöglicht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung ist vorgesehen, mehr als einen ringförmigen Lichtwellenleiter vorzusehen. Beispielsweise können zwei oder oder mehr ringförmig ausgebildete Lichtwel lenleiter mit jeweils für unterschiedliche Gase und/oder Gasgemische sensitiven Optoden verwendet werden. Diese mehreren Lichtwellenleiter können in vorteilhafter Weise gebündelt und parallel verlegt werden, wodurch eine zuverlässige Detektion unter schiedlicher Gase und/oder Gasgemische an definier ten, auch weit entfernt liegenden, Orten ermöglicht wird. Vorteilhaft ist weiterhin, für die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter einen gemeinsamen optischen Sender vorzusehen, was unter anderem den Bauaufwand reduziert. Zweckmäßigerweise ist jedoch jeder der mehreren Lichtwellenleiter mit einem sepa raten optischen Empfänger gekoppelt, um eine zuver lässige Signalauswertung zu ermöglichen. Um zu kom pakten und möglichst betriebssicheren Baueinheiten zu gelangen, kann es vorteilhaft sein, optische Sender und Empfänger jeweils in einem monolithischen Ver bund, beispielsweise durch Vergießen mit Kunststoff, mit den Stirnseiten der Lichtwellenleiter zu verbin den. Wahlweise können zudem optischer Sender und Emp fänger in einer gemeinsamen Baugruppe räumlich zusam mengefaßt sein oder in einem gemeinsamen Bauteil in tegriert sein, was hinsichtlich einer erleichterten Montage erhebliche Vorteile aufweist.

Der erfindungsgemäße optische Sensor kann weiterhin zur Überwachung einer Luftgüte in Räumen, beispiels weise zur Steuerung von Lüftungsklappen in Klimaanla gen, vorteilhaft eingesetzt werden. Ebenso können erfindungsgemäße optische Sensoren zur Lüftungs- und Klimaregelung in Innenräumen und/oder in Tunnels ein gesetzt werden. Selbstverständlich eignen sich derar tige optische Sensoren auch für Rauch- und/oder Brandmelder, wobei durch eine Bestimmung von Brand leitgasen durch einzelne optische Sensoren oder eine Kombination mehrerer Sensoren die Detektions- und Meldezeit gegenüber bekannten Vorrichtungen stark re duziert sowie die Falschalarmsicherheit signifikant erhöht werden kann. In der oben beschriebenen Weise können durch weiträumige Verlegungen von mit entspre chenden Optoden versehenen Lichtwellenleitern sehr einfach aufgebaute, wartungsfreie und zuverlässige optische Brandmelder realisiert werden. Durch den äußerst geringen Stromverbrauch der als optische Sen der und Empfänger vorzugsweise verwendeten Halblei terbauteile, beispielsweise als LED ausgeführt, las sen sich mittels Akkumulatorpufferung in vorteilhaf ter Weise stromnetzunabhängige Brandmelder realisie ren. Eine weitere vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit ist eine Detektion von Kohlenwasserstoffen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer ersten Variante eines einzelnen optischen Sensors;

Fig. 2 eine Schemadarstellung einer Variante eines optischen Sensors mit mehreren Lichtwellen leitern;

Fig. 3 eine Schemadarstellung einer weiteren Varian te eines optischen Sensors;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines mit einer Optode versehenen Lichtwellenleiters und

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der Reflexionsvorgän ge im Lichtwellenleiter und an der Optode.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung für einen optischen Sensor, bestehend aus einer Quelle für elektromagne tische Strahlung als optischen Sender 2, hier bei spielsweise einer Leuchtdiode, einem Detektor für elektromagnetische Strahlung als optischen Empfänger 4, beispielsweise einer Photodiode, die über einen Lichtwellenleiter 10 mit mehreren voneinander beab standeten sensitiven Elementen, im folgenden als Optoden 12 bezeichnet, gekoppelt sind. Als Quelle für elektromagnetische Strahlung kann jedoch beispiels weise ebensogut eine Laserlichtquelle zum Einsatz kommen.

Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, die gas sensitiven Schichten beziehungsweise die Optoden 12 räumlich vom optischen Sender 2 und optischen Empfän ger 4 zu trennen, so beispielsweise bei Brandmeldern oder bei Sensoren, die mit sehr heißen Gasen wechsel wirken sollen. Die beiden Halbleiterbauteile können beispielsweise als sogenannte SMD(Surface Mounted Device)-Bauteile auf einer gemeinsamen Platine in einem hier nicht dargestellten Gehäuse angebracht sein, wogegen die Optoden 12 vorzugsweise an für das zu detektierende Gas leichter zugänglichen Stellen, das heißt außerhalb des Gehäuses, angebracht sind. Zur optischen Koppelung der Optoden 12 mit dem opti schen Sender 2 und dem optischen Empfänger 4 wird erfindungsgemäß der Einsatz wenigstens eines Licht wellenleiters 10 bereitgestellt. Das vom optischen Sender 2 abgestrahlte Licht wird dabei senkrecht an einer vorzugsweise geraden Stirnseite 36 in den Lichtwellenleiter 10 eingekoppelt, der an seinem an deren Ende, dem optischen Empfänger 4 zugewandt, eine ebenfalls gerade Stirnseite 37 aufweist, die senk recht zur Längsrichtung des Lichtwellenleiters 10 angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine räumliche Trennung von Elektronik und Optoden 12 möglich.

Es können optische Sender 2 und Empfänger 4 verwendet werden, die mit infrarotem oder ultraviolettem Licht oder die mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, vorzugsweise jeweils in einem schmalen Wellenlängen bereich, arbeiten. Entscheidend für die Funktion der Meßanordnung ist die Abstimmung zwischen der Wellen länge des vom optischen Sender 2 ausgesandten Lichts und der absorbierten Wellenlänge der im folgenden be schriebenen gassensitiven Schichten beziehungsweise Optoden 12.

Die gassensitiven Schichten beziehungsweise Optoden 12 bestehen jeweils aus einem chemisch weitgehend inerten Trägermaterial, vorzugsweise einem Polymerma terial, und einer darin eingelagerten oder darauf aufgebrachten Indikatorsubstanz. Die Indikatorsub stanz zeigt bei Kontakt mit bestimmten Proben, bei spielsweise einem bestimmten Gas und/oder Gasgemisch, eine Wechselwirkung in Form einer Transmissionsände rung für elektromagnetische Strahlung einer bestimm ten Wellenlänge. Bei einer bestimmten Gaskonzentra tion zeigt sich ein fester Zusammenhang zu dem Grad der Absorption von transmittierendem Licht. Die Wirk samkeit der gassensitiven Schichten sind bisher für eine Vielzahl von verschiedenen Gasen und Gasgemi schen nachgewiesen, wobei die kleinsten damit bisher nachweisbaren Gaskonzentrationen im Bereich von weni gen ppb liegen.

Jede der im dargestellten Ausführungsbeispiel am Lichtwellenleiter 10 angeordneten Optoden 12 enthält eine für ein bestimmtes Gas und/oder Gasgemisch sen sitive Indikatorsubstanz und wird vor dem Einbau mit tels vorheriger Messungen kalibriert. Sobald das zu detektierende Gas in den Bereich zwischen optischem Sender 2 und optischem Empfänger 4 eintritt, das heißt wenigstens eine der Optoden 12 erreicht und mit deren Indikatorsubstanz wechselwirkt, ändert die in der Optode 12 enthaltene Indikatorsubstanz ihre Ab sorption für bestimmte Wellenlängenbereiche der mit ihr wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung. Da diese Wellenlänge einem lokalen Absorptionsmaximum der Indikatorsubstanz entspricht, registriert der optische Empfänger 4 eine veränderte Amplitude des empfangenen Lichtsignals. Die Höhe des Absorptionsma ximums ist bei den bisher bekannten Optoden 12 pro portional zur Konzentration des Gases. Das empfangene Lichtsignal kann mittels einer hier nicht dargestell ten Auswerteeinheit erfaßt und beispielsweise an ei nen Signalgeber weitergeleitet werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in Reihe geschalteten Optoden 12 jeweils auf die gleiche Substanz kalibriert, wodurch bei ausreichend lang be messenem Lichtwellenleiter 10 und darauf aufgebrach ten und voneinander beabstandeten Optoden 12 eine Detektion eines bestimmten Gases und/oder Gasgemi sches über große Entfernungen beziehungsweise inner halb eines weiten Areals möglich ist. Beispielsweise kann mit einem derartigen optischen Sensor mit nur sehr wenigen Bauteilen und mit nur einer Leitung, nämlich dem Lichtwellenleiter 10, bei entsprechend gewählter Sensitivität der Optoden 12 ein hochemp findlicher Brandmelder realisiert werden. Durch Ein speisung von geeignet modulierten Lichtsignalen durch den optischen Sender 2 (hier eines Lasers) sowie einer geeigneten Auswertung hinsichtlich der Lauf zeiten ist es zudem möglich, die Wechselwirkung jeder einzelnen Optode 12 mit dem Gas und/oder Gasgemisch zu detektieren. Hierdurch wird es möglich, den ge nauen Ort der Wechselwirkung und damit den Ort bei spielsweise eines Brandes mit hoher Genauigkeit zu erfassen und anzuzeigen.

Fig. 2 zeigt in einer Schemadarstellung eine Varian te eines optischen Sensors, bei dem mehrere Lichtwel lenleiter 10 mit jeweils mehreren Optoden 12, 13, 14 versehen sind. Gleiche Teile wie in der Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch mals erläutert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wer den drei ringförmig ausgebildete Lichtwellenleiter 10 von einem gemeinsamen optischen Sender 2 gespeist. Ebenso möglich ist es jedoch, für jeden einzelnen Lichtwellenleiter einen eigenen optischen Sender 2 vorzusehen, wobei diese mehreren optischen Sender 2 jeweils elektromagnetische Strahlung entweder im gleichen oder auch in unterschiedlichen Wellenlängen bereichen aussenden können. Möglich ist es zudem, anstatt von nur drei eine Vielzahl von Lichtwellen leitern 10 vorzusehen.

Für jeden der drei Lichtwellenleiter 10 ist ein eige ner optischer Empfänger 4, 6 und 8 vorgesehen, so daß eine Analyse der mit unterschiedlichen Gasen und/oder Gasgemischen wechselwirkenden Optoden 12, 13, 14 mög lich ist. Die mit den Lichtwellenleitern 10 verbunde nen Optoden 12, 13, 14 sind zweckmäßigerweise derart kalibriert und abgestimmt, daß die Optoden 12 des ersten Lichtwellenleiters 10 auf ein spezifisches Gas und/oder Gasgemisch sensitiv sind, daß die Optoden 13 des zweiten Lichtwellenleiters 10 auf ein anderes Gas und/oder Gasgemisch sensitiv sind und daß die Optoden 14 des dritten Lichtwellenleiters 10 wiederum auf ein davon verschiedenes Gas und/oder Gasgemisch sensitiv sind. Eine derartige Anordnung kann fast beliebig um weitere Lichtwellenleiter mit darauf aufgebrachten und individuell kalibrierten Optoden erweitert wer den.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, jeweils gleichartige, das heißt auf die gleiche Sub stanz sensitive, Optoden 12, 13, 14 für jeweils einen Lichtwellenleiter 10 vorzusehen. Diese können wie in der zu Fig. 1 beschriebenen Weise enger oder weiter voneinander beabstandet sein, so daß bei Bedarf eine Erfassung von Substanzen über große Wege und inner halb weiter Areale möglich ist. Die Optoden 12, 13, 14 können beispielsweise derart kalibriert sein, daß sie auf verschiedene Verbrennungsgase sensitiv sind, womit eine zuverlässigere Branddetektion und -meldung ermöglicht wird als bei Verwendung von nur auf ein Verbrennungsgas sensitiven Optoden 12. Um in den ge wünschten Arealen jeweils alle gewünschten Substanzen zu detektieren, ist es zweckmäßig, die drei Lichtwel lenleiter 10 parallel zu verlegen. Die Verwendung eines einzelnen optischen Empfängers 2, 4 und 6 für jeden einzelnen verwendeten Lichtwellenleiter 10 er leichtert die Auswertung hinsichtlich verschiedener zu erfassender Gase und/oder Gasgemische. Sollen zu dem, wie bereits zur Fig. 1 beschrieben, die exakten Orte der Wechselwirkungen einer Optode 12, 13, 14 mit einem Gas und/oder Gasgemisch erfaßt und analysiert werden, ist die Signalverarbeitung in einer den opti schen Empfängern 4, 6, 8 nachgeschalteten Auswerte einheit bei Verwendung von drei optischen Empfängern 4, 6 und 8 weniger aufwendig als bei Verwendung nur eines.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Variante eines optischen Sensors. Gleiche Teile wie in den vorherigen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Hier ist lediglich ein Lichtwellenleiter 10 mit meh reren, für jeweils unterschiedliche Substanzen bezie hungsweise Gase und/oder Gasgemische sensitive, Opto den 12, 13 und 14 vorgesehen. Der optische Sender 2 an einem Ende des Lichtwellenleiters 10 sendet elek tromagnetische Strahlung in dem Wellenlängenbereich aus, in dem die Optoden 12, 13 und 14 eine Transmis sionsänderung bei Wechselwirkung mit einem bestimmten Gas und/oder Gasgemisch zeigen. Der optische Empfän ger 4 am anderen Ende des Lichtwellenleiters leitet die empfangenen Signale zu einer hier nicht darge stellten Auswerteeinheit, die in der Lage ist, das empfangene Signal hinsichtlich der Amplituden bei den relevanten Frequenzen mit dem vom optischen Sender 2 ausgesandten Signal zu vergleichen und daraus Aussa gen über die detektierten Substanzen sowie deren ge nauen Ort zu gewinnen. Um letzteres zu ermöglichen, ist es jedoch notwendig, das vom optischen Sender 2 ausgesandte Signal auf geeignete Weise zu modulieren und das an einem optischen Empfänger am Lichtleiter eingang erhaltene reflektierte Signal hinsichtlich der Impulsantworten auszuwerten.

So ist es beispielsweise möglich, mehrere Gruppen von jeweils drei nah beieinander plazierten verschiedenen Optoden 12, 13 und 14 jeweils beabstandet voneinander sequentiell am Lichtwellenleiter zu positionieren, so daß auf diese Weise drei verschiedene Substanzen, beispielsweise drei verschiedene Gase und/oder Gasge mische an einer Vielzahl von verschiedenen Orten de tektiert werden können, wobei die Anzeigen jeweils exakt den verschiedenen definierten Orten zugeordnet werden können. Soll mit Hilfe des optischen Sensors beispielsweise ein Brandmelder realisiert werden, so können auch bei großen Arealen genau die Orte einer Brandentwicklung aufgrund der dort freigesetzten und von den Optoden 12, 13, 14 registrierten Verbren nungsgase bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt ausschnittweise einen Aufbau eines im Strahlengang zwischen optischem Sender 2 und opti schem Empfänger 4 angeordneten Lichtwellenleiters 10 mit darauf aufgebrachter Optode 12, 13, 14. Gleiche Teile wie in den vorherigen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Erkennbar ist ein Kern 20 des Lichtwellenleiters 10, der auf seiner gesamten Länge von einem Mantel 22 um hüllt ist. Der Brechungsindex für Licht des Kernes 20 (n₂) weist typischerweise einen signifikant höheren Wert auf als der des Mantels 22 (n₁). Wird als Mate rial für den Lichtwellenleiter beispielsweise Quarz glas verwendet, so weist dieses einen Brechungsindex von n₂ = 1,46 auf. Für Luft beträgt der Wert des Bre chungsindex n = 1. Der Wert des Brechungsindex des Mantels 22 liegt somit zweckmäßigerweise innerhalb dieser beiden Werte, beispielsweise bei n₁ = 1,2. Hierdurch wird erreicht, daß im Kern 20 geführtes Licht nahezu dämpfungsfrei und vollständig an einer Grenzfläche 21 Kern-Mantel reflektiert wird. Im dar gestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abschnitt 24 beziehungsweise ein Fenster 25 vorgesehen, in dem der Kern 20 freiliegt, das heißt vom umhüllenden Mantel 22 befreit ist und mit einer gassensitiven Schicht beziehungsweise einer Optode 12, 13, 14 bedeckt be ziehungsweise umhüllt ist. Zweckmäßigerweise weist das Material der Optode 12, 13, 14 einen Wert für den Brechungsindex (n₃) auf, der annähernd dem des Kernes 20 entspricht. Bei Verwendung von Quarzglas als Mate rial für den Kern 20 des Lichtwellenleiters 10 erge ben sich somit die zweckmäßigen Werte für die Bre chungsindizes n₂ = n₃ = 1,46. Hierdurch wird erreicht, daß ein Lichtstrahl eine Grenzfläche 27 Kern-Optode passieren kann, jedoch an einer Grenzfläche 23 Optode-Luft aufgrund der deutlich unterschiedlichen Brechungsindizes vollständig reflektiert wird.

Fig. 5 zeigt die Reflexionsvorgänge im Lichtwellen leiter 10 in einer schematischen Detailansicht. Glei che Teile wie in den vorherigen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Erkennbar ist wiederum der Kern 20 mit umhüllendem Mantel 22, der an einem beispielhaften Abschnitt 24 unterbrochen ist. Dort befindet sich eine Optode 12, 13, 14. Ein beispielhaft eingezeich neter Lichtstrahl 30 wird an der Grenzfläche 21 Kern- Mantel aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindi zes reflektiert und verbleibt somit im Kern 20. Ein weiterer Lichtstrahl 32 kann die Grenzfläche 27 auf grund der annähernd übereinstimmenden Brechungsindi zes ungehindert, das heißt fast verlustfrei, durch dringen und wird dann an der Grenzfläche 23 Optode- Luft reflektiert, was am deutlich niedrigeren Wert des Brechungsindex in Luft (n = 1) als des Wertes für den Brechungsindex der Optode (n₃) liegt. Der Licht strahl 32 bleibt somit ebenfalls im Kern 20, wird jedoch beim Durchlaufen der Optode 12, 13, 14 je nach Wechselwirkung mit einer bestimmten Substanz signifi kant abgeschwächt. Bei geeigneter Ansteuerung des optischen Senders 2 mit einem modulierten Signal und des optischen Empfängers 4 sowie der nachgeschalteten Auswerteeinheit läßt sich diese Signalabschwächung als Detektion einer Substanz auswerten.

Claims

1. Optischer Sensor zur Bestimmung wenigstens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters einer Probe, mit wenigstens einem optischen Sender und we nigstens einem optischen Empfänger und einem in einem Strahlengang zwischen dem wenigstens einen optischen Sender und dem wenigstens einen optischen Empfänger angeordneten und der Probe aussetzbaren, bei Parame teränderung der Probe seine Absorption und/oder sei nen Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge verändernden, sensitiven Ele ment, insbesondere gassensitiven Element, und gegebe nenfalls mit einer dem wenigstens einen optischen Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Sen der (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4, 6, 8) über wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten sensitiven Elementen gekoppelt ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die sensitiven Elemente für elektroma gnetische Strahlung weitgehend durchlässige Optoden (12, 13, 14) sind, die bei Kontakt mit der Probe ihre Absorptionseigenschaften und/oder ihren Brechungsin dex für elektromagnetische Strahlung verändern.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Probe ein Gas und/oder ein Gasge misch ist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Optoden (12, 13, 14) jeweils eine Indikatorsubstanz aufweisen, die bei zumindest indi rektem Kontakt mit wenigstens einem bestimmten Gas und/oder bestimmten Gasgemisch chemisch oder physika lisch reversibel mit dem Gas oder Gasgemisch wechsel wirkt.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wechselwirkung zu einem Auftreten eines zumindest lokalen Absorptionsmaximums für elek tromagnetische Strahlung führt.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lage des Absorptionsmaximums für jedes spezifische Gas und/oder Gasgemisch bei unter schiedlichen Wellenlängenwerten der elektromagneti schen Strahlung liegt.

7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Ab sorptionsmaximums mit der Konzentration des wechsel wirkenden Gases und/oder Gasgemisches korreliert ist.

8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen opti schen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) gekoppelten wenigstens zwei Opto den (12, 13, 14) in Reihe geschaltet sind.

9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen opti schen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) gekoppelten wenigstens zwei Opto den (12, 13, 14) parallel geschaltet sind.

10. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den wenig stens einen optischen Sender (2) mit dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) koppelnde Licht wellenleiter (10) einen Lichtsignale annähernd dämp fungsfrei führenden Kern (20) und einen den Kern (20) auf der gesamten Länge des Lichtwellenleiters (10) umhüllenden Mantel (22) aufweist, wobei der Mantel (22) an wenigstens einem Abschnitt (24) ein Fenster (25) aufweist, in dem der Kern (20) vollständig mit einer Optode (12, 13, 14) bedeckt ist.

11. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der den wenigstens ei nen optischen Sender (2) mit dem wenigstens einen op tischen Empfänger (4, 6, 8) koppelnde Lichtwellenlei ter (10) einen Lichtsignale annähernd dämpfungsfrei führenden Kern (20) und einen den Kern (20) auf der gesamten Länge des Lichtwellenleiters (10) umhüllen den Mantel (22) aufweist, wobei der Mantel (22) an wenigstens einem Abschnitt (24) unterbrochen ist und der Kern (20) an diesem Abschnitt (24) vollständig von einer Optode (12, 13, 14) umhüllt ist.

12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindizes (n₂, n₃) für Licht des Kernes (20) beziehungsweise der Optode (12, 13, 14) signifikant höhere Werte auf weisen als der Brechungsindex (n₁) für Licht des Man tels (22).

13. Optischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Brechungsindex (n₂) des Kernes (20) und der Brechungsindex (n₃) der Optode (12, 13, 14) annähernd gleichgroße Werte aufweisen.

14. Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (10) auf sei ner Länge mehrere voneinander beabstandete Abschnitte (24) mit auf jeweils gleiche Gase und/oder Gasgemi sche sensitiven Optoden (12, 13, 14) aufweist.

15. Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (10) auf sei ner Länge mehrere voneinander beabstandete Abschnitte (24) mit auf jeweils unterschiedliche Gase und/oder Gasgemische sensitiven Optoden (12, 13, 14) aufweist.

16. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (2) eine Quelle für elektromagnetische Strah lung, insbesondere eine Leuchtdiode (LED), die so gewählt wird, daß ihr Emissionsspektrum zur gas sensitiven Absorption der Optode paßt.

17. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (2) eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine Laserlichtquelle, einer diskreten Wellenlänge ist.

18. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger (4, 6, 8) eine Photodiode ist.

19. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Lichtwellenleiter (10) ringförmig ausgebildet ist.

20. Optischer Sensor nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens zwei ringförmig ausge bildete Lichtwellenleiter (10) mit jeweils für unter schiedliche Gase und/oder Gasgemische sensitiven Optoden (12, 13, 14) verwendet werden.

21. Optischer Sensor nach Anspruch 20, dadurch ge kennzeichnet, daß die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter (10) mit einem gemeinsamen opti schen Sender (2) versehen sind.

22. Optischer Sensor nach Anspruch 21, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder der wenigstens zwei verwende ten Lichtwellenleiter (10) mit jeweils einem opti schen Empfänger (4, 6, 8) versehen ist.

23. Optischer Sensor nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen opti schen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse vergossen sind.

24. Optischer Sensor nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen opti schen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) jeweils mit Kunststoff vergossen sind.

25. Optischer Sensor nach Anspruch 24, dadurch ge kennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Sender (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4, 6, 8) räumlich und/oder baulich zusammengefaßt sind.

26. Optischer Sensor nach Anspruch 25, dadurch ge kennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Sender (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4, 6, 8) in einem gemeinsamen Bauteil integriert sind.

27. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optoden (12, 13, 14) vorzugsweise mit gasförmigen Verbren nungsprodukten wechselwirken.

28. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswer teeinheit die von wenigstens zwei verschiedenen Opto den (12, 13, 14) erfaßten Signale hinsichtlich ihrer spezifischen Laufzeiten erfaßbar sind.

29. Optischer Sensor nach Anspruch 28, dadurch ge kennzeichnet, daß unterschiedliche Laufzeiten der von verschiedenen Optoden (12, 13, 14) gelieferten Si gnale zur Gewinnung einer Ortsinformation auswertbar sind.

30. Optischer Sensor nach Anspruch 29, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere ringförmige Lichtwellenlei ter (10) Brände in weiträumigen Arealen detektieren und daß die gelieferten Signale in der Auswerteein heit hinsichtlich des Brandortes auswertbar sind.

31. Verwendung mindestens einer der optischen Senso ren nach Anspruch 1 bis 30 in Brandmeldern.

32. Verwendung mindestens einer der optischen Senso ren nach Anspruch 1 bis 29 zur Bestimmung und Überwa chung einer Luftgüte in Räumen.

33. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeich net, daß mit den erhaltenen Meßwerten Vorrichtungen zur Lüftungs- und Klimaregelung in Innenräumen gere gelt werden.

34. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeich net, daß die Konzentration von CO und/oder CO₂ erfaßt wird.

35. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeich net, daß mit den erhaltenen Meßwerten Lüftungsanlagen in Tunnels geregelt werden.