DE19900019A1 - Faseroptischer Sensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein faseroptischer Sensor (10) mit mindestens einer Faser (19) als optischem Lichtwellenleiter (18) und mit mindestens einer Sensormembran (20, 21, 22) zur Bestimmung eines physikalischen oder chemischen Parameters einer Probe vorgeschlagen. Die Sensormembran (20, 21, 22) enthält eine Indikatorsubstanz, die die Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) für elektromagnetische Strahlung und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem Kontakt mit einem Gas oder Gasgemischändert. Der optische Lichtwellenleiter (18), der in mindestens einem Detektionsbereich (25) mit der Faser (19) in Kontakt ist, überträgt dabei eine physikalische Meßgröße, die sich durch die Änderung der Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) ändert von einem Sender (13) zu einem Empfänger (12), wobei der Empfänger (12) so angeordnet ist, daß er die Änderung der von dem Sender (13) emittierten und von dem Lichtwellenleiter (18) übertragenen physikalischen Meßgrößen in Reflexion detektiert. Damit kann beispielsweise auch der Ort der die Änderung hervorrufenden Sensormembran (20, 21, 22) bestimmt werden. Der vorgeschlagene faseroptische Sensor (10) eignet sich insbesondere als Brandmelder, als Luftgütesensor oder für Anwendungen in der Domotik.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor nach der Gattung des Hauptanspruches.

Ein derartiger Sensor wurde bereits in der unveröffentlichten Anmeldung DE 197 41 335.8 vorgeschlagen, worin eine Sensormembran und eine Vorrichtung zur Verwendung dieser Sensormembran in Form einer Optode beispielsweise in Brandmeldern oder Luftgütesensoren beschrieben ist. Die Sensormembran dient dort der Bestimmung eines physikalischen und/oder chemischen Parameters einer Probe und enthält eine Indikatorsubstanz, die die Absorptionseigenschaften der Sensormembran für elektromagnetische Strahlung und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem Kontrakt mit einem Gas oder Gasgemisch ändert. Weiterhin ist daraus bekannt, diese Sensormembran in einer Vorrichtung zu verwenden, die einen Sender und Empfänger, insbesondere eine Photodiode, für elektromagnetische Strahlung ausweist, die die Änderung der Eigenschaften der Membran erfaßt. Gemäß Fig. 4 der genannten Anmeldung in Verbindung mit dem zugehörigen Ausführungsbeispiel ist außerdem bekannt, Sender und Empfänger über einen Lichtwellenleiter zu verbinden, der sich beispielsweise mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei Arme teilt und von denen ein Arm als Referenzarm und ein Arm als Meßarm für den Detektor dient. Der Meßarm steht dabei in Kontakt mit der Sensormembran, die auch auf dem Lichtwellenleiter angeordnet sein kann.

Weiterhin ist bekannt, mehrere Sensormembrane mit unterschiedlicher Gasselektivität mit mehreren Sendern und Empfängern oder einem Sender und einem Empfängerarray zu kombinieren sowie mehrere Lichtwellenleiter parallel zu verwenden.

Im übrigen ist es bekannt, Systeme von mehreren Sensoren für Anwendungen im Bereich der Brandsensorik als elektrische Bussysteme zu realisieren. Jeder Sensor enthält dazu separate LEDs als Lichtquellen oder Sender und Photodioden als Empfänger.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß der Empfänger eine Änderung zumindest einer, vom Sender in die Faser oder den Lichtwellenleiter emittierten physikalischen Meßgröße in Reflexion detektiert, so daß Sender und Empfänger insbesondere in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Sende- und Empfangsbauteil angeordnet werden können, was erhebliche Installationskosten und die Installation vereinfacht. Daneben können mit dieser Anordnung sehr vorteilhaft auch eine Vielzahl von insbesondere parallelen Fasern an ein Sende- und Empfangsbauteil angeschlossen werden.

Über innerhalb verschiedener Fasern an unterschiedlichen Orten angebrachte Detektionsbereiche kann weiterhin sehr vorteilhaft aus einer sich innerhalb einer Faser ändernden physikalischen Meßgröße deren Änderung über die Veränderung der Sensormembran in dem jeweiligen Detektionsbereich hervorgerufen wird, der Ort des betreffenden Detektionsbereiches aus der Zuordnung der sich ändernden Meßgröße zu der betroffenen Faser ermittelt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Sehr vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist beispielsweise auch, daß dieser mit einer Faser in Form eines Lichtwellenleiters ausgebildet ist, die in den Detektionsbereichen mit der Sensormembran zumindest annähernd umgeben ist.

Insbesondere hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, wenn die Faser einen Faserkern und einen Fasermantel aufweist, wobei der Fasermantel in den Detektionsbereichen entfernt wird oder fehlt und stattdessen dort der Faserkern mit der Sensormembran in Kontakt steht oder, besonders vorteilhaft, von ihr zumindest annähernd umgeben ist. Der Fasermantel kann dabei, wie der Faserkern, zur Übertragung der physikalischen Meßgröße dienen - beispielsweise in Form eines den Faserkern umgebenden Lichtleiters.

Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor weiterhin, daß die Funktion der Faser in Form eines optischen Lichtwellenleiters und des bisher im Stand der Technik verwendeten Busses zur Übertragung von elektronischen Signalen zwischen Sender und Empfänger nicht mehr voneinander getrennt sind. Es genügt deshalb ein Sender und ein Empfänger, um mehrere Detektionsbereiche zu überwachen und gegebenenfalls mehrere, beispielsweise parallel verlaufende Fasern mit unterschiedlich vielen oder an unterschiedlichen Ort angebrachten Detektionsbereichen an ein Sende- und Empfangsbauteil anzuschließen. Damit werden erhebliche Kostenvorteile erzielt. Überdies kann ein Sende- und Empfangsbauteil mit mehreren angeschlossenen Fasern, die jeweils verschiedene Detektionsbereiche mit die Faser beispielsweise umgebenden, für verschiedene Gases gasspezifisch wirksame Sensormembrane aufweisen, somit verschiedene Gase gleichzeitig detektieren. Damit können über die Anordnung der Detektionsbereiche innerhalb der einzelnen Fasern verschiedene Orte gleichzeitig überwacht werden.

Innerhalb einer Faser können bei dem erfindungsgemäßen Sensor nunmehr sehr vorteilhaft auch mehrere Detektionsbereiche hintereinander angeordnet sein, die mit gegebenenfalls für unterschiedliche Gase sensiblen Sensormembranen in Kontakt oder umgeben sind, so daß eine Detektion verschiedener Gase innerhalb einer Faser möglich ist, während gleichzeitig der Nachweis eines Gases in einem Detektionsbereich definiert örtlich zugeordnet werden kann.

Als physikalische Meßgröße, die von dem Sender emittiert und über den Lichtwellenleiter oder die Faser zu dem Empfänger übertragen wird, eignet sich insbesondere eine Intensität, wie insbesondere eine Intensität elektromagnetischer Strahlung, eine Frequenz wie insbesondere eine Lichtfrequenz, oder ein emittiertes Frequenzspektrum. Für den Empfänger ist es dabei ausreichend, wenn dieser eine Änderung der empfangenen Meßgröße nachweist, die dadurch hervorgerufen wurde, daß eine Sensormembran in einem Detektionsbereich ihre Absorptionseigenschaften und/oder ihren optischen Brechungsindex verändert hat, so daß der Empfänger nicht eine Absolutmessung der empfangenen physikalischen Meßgröße vornehmen muß.

Weiterhin kann eine Veränderung der Sensormembran vorteilhaft auch über eine Änderung von deren Brechungsindex und/oder von deren Absorptionseigenschaften mit Hilfe einer sich dabei verändernden Brillouin- oder Ramanstreuung nachgewiesen werden, da eine derartige Streuung dazu führt, daß sich das vom Sender emittierte Frequenzspektrum verändert. Wird beispielsweise monochromatisches Licht einer festen Frequenz emittiert, so detektiert der Empfänger über eine auftretende Brillouin- oder Ramanstreuung zusätzliche Frequenzen, die nicht mit der emittierten Frequenz übereinstimmen und die sich verändern, wenn sich der Brechungsindex der Sensormembran in einem Detektionsbereich ändert. Ein erfindungsgemäßer Sensor, der auf dem Effekt der Brillouin- oder Ramanstreuung beruht, eignet sich besonders bei einer großen Zahl von Detektionsbereichen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist es auch, daß dieser es ermöglicht, den Ort der die Änderung der empfangenen Meßgröße hervorrufenden Sensormembran zu ermitteln. Damit kann beispielsweise bei Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors als Brandmelder mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Detektionsbereichen in verschiedenen Räumen und lediglich einem Sende- und Empfangsbauteil der Ort des Brandes ermittelt werden.

Die Ermittlung des Ortes erfolgt dabei entweder, wie ausgeführt, über mehrere, parallel verlaufende Fasern mit unterschiedlich angeordneten Detektionsbereichen, oder auf elektronischem Wege beispielsweise über das an sich bekannte OTDR-Prinzip (optical time domain reflectometry), bei dem über eine elektronische Kopplung von Sender und Empfänger und eine entsprechende Auswerteschaltung, die vom Sender emittierte physikalische Meßgröße zeitlich mit der vom Empfänger detektierten Meßgröße korreliert wird. Auftretende Änderungen in der empfangenen Meßgröße können somit in vom Sender hervorgerufene Schwankungen und in von einem Detektionsbereich über eine Sensormembran hervorgerufene Änderungen separiert werden. Somit kann beispielsweise eine durch eine Veränderung der Sensormembran in einem Detektionsbereich auftretende zusätzliche Lichtstreuung oder eine in einem Detektionsbereich über den Brillouin- oder Raman-Effekt erzeugte Lichtfrequenz, die die vom Sender emittierte Meßgröße verändert und die im Empfänger registriert wird, zeitlich mit der Emission der Meßgröße aus dem Sender korreliert werden. Aus der Zeitdifferenz zwischen der Emission der Meßgröße aus dem Sender und dem Nachweis der durch einen Detektionsbereich veränderten Meßgröße im Empfänger läßt sich somit über die bekannte Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Faser, die Entfernung des betreffenden Detektionsbereiches vom Sende- und Empfangsbauteil errechnen.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Prinzipskizze eines faseroptischen Sensors und Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 im Detail.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 und 2 erläutern ein Ausführungsbeispiel des faseroptischen Sensors 10. Dieser weist ein Sende- und Empfangsbauteil 11 auf und eine Faser 19 in Form eines optischen Lichtwellenleiters 18. Innerhalb des Sende- und Empfangsbauteils 11 befindet sich ein Sender 13, wie insbesondere eine Lichtquelle in Form einer LED oder Laserdiode einer bestimmten Frequenz, der eine physikalische Meßgröße wie Licht einer definierten Intensität oder eines definierten Frequenzspektrums erzeugt und in die Faser 19 einleitet. Weiterhin befindet sich innerhalb des Sende- und Empfangsbauteils 11 ein Empfänger 12, wie insbesondere eine Photodiode, der die vom Sender 13 emittierte und von der Faser 19 übertragene physikalische Meßgröße detektiert. Sender 13 und Empfänger 12 sind über eine elektronische Verbindung 14 und eine elektronische Auswerteschaltung 15 miteinander verbunden, die die von Sender emittierte physikalische Meßgröße und die von Empfänger detektierte physikalische Meßgröße insbesondere zeitlich miteinander korreliert und somit innerhalb der Faser 19 hervorgerufene Änderungen der Meßgröße nachweist. Die Korrelation und der Nachweis der Änderung der physikalischen Meßgröße erfolgt beispielsweise in an sich bekannter Weise über das Prinzip der "optical time domain reflectometry (OTDR)", das in der Veröffentlichung "ANT-Nachrichtentechnische Berichte, Heft 3, Dezember 1986, Seite 67 und 68" ausführlich erläutert wird. Die elektronische Auswerteschaltung 15 ist dabei, wie ebenfalls in "ANT-Nachrichtentechnische Berichte, Heft 3, Dezember 1986, Seite 67 und 68" beschrieben, in an sich bekannter Weise ausgeführt. Insbesondere sei dazu dort auch auf die Bilder 13 bis 17 verwiesen.

Die Koppelung von Sender 13 und Empfänger 12 zur Bestimmung der Korrelation kann jedoch auch dadurch erfolgen, daß ein Lichtwellenleiter als Referenzarm innerhalb des Sende- und Empfangsbauteils 11 zwischen Sender 12 und Empfänger 13 angebracht wird.

Die Faser 19 weist weiterhin einen Faserkern 30 und einen Fasermantel 31 auf, der in den Detektionsbereichen 25 der Faser 19 fehlt. In den Detektionsbereichen 25 ist die Faser 19 von einer Sensormembran 20, 21, 22 umgeben, die zur Bestimmung eines physikalischen oder chemischen Parameters einer Probe eine Indikatorsubstanz enthält, die die Absorptionseigenschaften der Sensormembran 20, 21, 22 für elektromagnetische Strahlung und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem Kontakt mit einem Gas oder Gasgemisch insbesondere gasspezifisch ändert.

Die Sensormembran 20, 21, 22 besteht zum selektiven Nachweis von CO₂ beispielsweise aus 2,07 mg N,N-dioctylaminophenyl-4'- trifluoroacetyl-azobenzol und 0,44 mg Tridodecylmethylammoniumchlorid, das in 80 mg reinem, multifunktionellem Polysiloxan und THF gelöst wird und anschließend auf der Faser in den Detektionsbereichen aufgetragen wird. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels THF bleibt eine homogene, transparente Gelschicht zurück mit einer Dicke von 1 bis 5 µm.

Die Faser 19 weist an ihrem Ende außerdem ein Abschlußstück 32 in Form eines Absorbers oder Reflektors auf, das beispielsweise eine möglichst vollständige Absorption der vom Sender 13 erzeugten Meßgröße oder alternativ für eine möglichst vollständige Reflexion der das Abschlußstück 32 erreichenden physikalischen Meßgröße gewährleistet. Die vom Sender 13 emittierte und innerhalb der Faser 19 durch Streuung, Absorption oder Reflexion veränderte physikalische Meßgröße gelangt beispielsweise über einen an sich bekannten Strahlteiler 16 in den Empfänger 12.

Im einzelnen sendet der Sender 13 als physikalische Meßgröße, beispielsweise ein gepulstes Lichtsignal definierter Intensität aus, das über die Faser 18 in dem Faserkern 20 durch die Detektionsbereiche 25 verläuft, dort teilweise reflektiert wird und über den Strahlteiler 16 in den Empfänger 12 in Form einer Photodiode gelangt. Die empfangene Intensität ist somit streng mit der gesendeten Intensität korreliert. Diese Korrelation wird in an sich bekannter Weise innerhalb der elektronischen Schaltung 15 verarbeitet, die über die Verbindungen 14 mit Sender 13 und Empfänger 12 verbunden ist. Verändern sich nun in einem Detektionsbereich 25 die Absorptionseigenschaften einer Sensormembran 20, 21, 22 für elektromagnetische Strahlung oder deren optischer Brechungsindex aufgrund eines auftretenden Gases, beeinflußt diese Veränderung die Reflexionseigenschaften des Faserkerns 30 des Lichtleiters 18, so daß sich die vom Empfänger 12 registrierte Intensität verändert. Damit ändert sich auch die Korrelation zwischen Sender 13 und Empfänger 12 und der Sensor registriert die Veränderung der Sensormembran. Die Ortsauflösung der die Meßgröße verändernde Sensormembran 20, 21, 22 erfolgt dabei, wie erläutert, durch das OTDR-Prinzip.

Die Änderung der Reflexionseigenschaften der Faser 19 und/oder des Faserkerns 30 kann beispielsweise eine Schwächung eines am Empfänger 12 ankommenden Lichtsignals sein, die dadurch hervorgerufen wird, daß in einem Detektionsbereich 25 über eine Veränderung der Sensormembran 20, 21, 22 Licht zusätzlich absorbiert oder aus dem Faserkern 30 herausgestreut oder emittiert wird.

Im Fall, daß man den Brillouin-Effekt oder den Raman-Effekt zur Veränderung der physikalischen Meßgröße in den Detektionsbereichen 25 ausnutzt, wird das zu detektierende Gas nach dem Evaneszentfeldprinzip nachgewiesen, d. h. die Veränderung der Sensormembran 20, 21, 22 bewirkt eine Änderung des Brechungsindex im Fasermantel 25 und somit des Phononenspektrums. Dadurch ändert sich ein vom Sender 13 emittiertes Frequenzspektrum, was vom Empfänger 12, wie erläutert, nachgewiesen wird.

Claims (13)

1. Faseroptischer Sensor (10) mit mindestens einer Faser (19) als optischem Lichtwellenleiter (18) und mit mindestens einer Sensormembran (20, 21, 22) zur Bestimmung eines physikalischen oder chemischen Parameters einer Probe, wobei die Sensormembran (20, 21, 22) in mindestens einem Detektionsbereich (25) mit der Faser (19) in Kontakt ist und eine Indikatorsubstanz enthält, die die Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) für elektromagnetische Strahlung und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem Kontakt mit einem Gas oder Gasgemisch insbesondere gasspezifisch ändert, und wobei der optische Lichtwellenleiter (18) mindestens eine physikalische Meßgröße, die sich durch die Änderung der Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) ändert, von einem Sender (13) zu einem Empfänger (12) überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (12) die Änderung zumindest einer der von dem Sender (13) emittierten und von dem Lichtwellenleiter (18) übertragenen physikalischen Meßgröße in Reflexion detektiert.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (19) in dem Detektionsbereich (25) mit der Sensormembran (20, 21, 22) zumindest annähernd umgeben ist.

3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (19) aus einem Faserkern (30) und einem Fasermantel (31) besteht, wobei der Fasermantel (31) in dem Detektionsbereich (25) fehlt und stattdessen dort der Faserkern (30) mit der Sensormembran (20, 21, 22) zumindest annähernd umgeben oder mit ihr in Kontakt ist.

4. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (19) oder der Faserkern (30) in verschiedenen Detektionsbereichen (25) mit verschiedenen Sensormembranen (20, 21, 22) zumindest annähernd umgeben oder in Kontakt ist, die ihre Absorptionseigenschaften gasspezifisch ändern.

5. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (13) und Empfänger (12) in einem Sende- und Empfangsbauteil (11) integriert sind.

6. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fasern (19) vorgesehen sind, die bei Bedarf mit jeweils unterschiedlichen sensitiven Sensormembranen (20, 21, 22) zumindest annähernd umgeben oder in Kontakt sind.

7. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (12) eine Änderung der Reflektivität oder der Absorption von elektromagnetischer Strahlung, wie insbesondere Licht, oder eine Änderung eines vom Sender (13) emittierten Frequenzspektrums elektromagnetischer Strahlung detektiert, die innerhalb eines Detektionsbereiches (25) hervorgerufen wird.

8. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Reflektivität oder der Absorption auf einer Änderung des Brechungsindex der Sensormembran (20, 21, 22) oder einer Änderung der Transmissionseigenschaften der Faser (19) für elektromagnetische Strahlung beruht und/oder daß die Änderung des Frequenzspektrums über den Raman-Effekt oder den Brillouineffekt erfolgt.

9. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (12) über eine elektronische Kopplung (14, 15) und/oder über eine optische Kopplung mit Hilfe eines Referenzlichtleiters mit dem Sender (13) den Ort der die Änderung der physikalischen Meßgröße hervorrufenden Sensormembran (20, 21, 22) ermittelt.

10. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Ortes der die Änderung der physikalischen Meßgröße hervorrufenden Sensormembran (20, 21, 22) über das OTDR-Prinzip erfolgt.

11. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Ortes der die physikalische Meßgröße verändernden Sensormembran (20, 21, 22) aus der Laufzeit der geänderten physikalischen Meßgröße zwischen Sender (13) und Empfänger (12) erfolgt.

12. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, insbesondere parallel laufende Fasern (19) mit jeweils mindestens einem Detektionsbereich (25) vorgesehen sind, wobei die Fasern (19) von einem Sende- und Empfangsbauteil (11) ausgehen und sich die Detektionsbereiche (25) an verschiedenen Orten befinden.

13. Verwendung eines faseroptischen Sensors mach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche in einem Brandmelder, einem Luftgütesensor, zur Untersuchung von Abgasen in Verbrennungsmaschinen, zur Überwachung und Steuerung einer Verbrennungsanlage oder als Ammoniakmelder.