DE19913800C2 - Arrangement for evaluating narrow-band optical signals - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auswertung schmal bandiger optischer Signale, bestehend aus mindestens einem Faser-Bragg- Gitter und einer Auswerteeinheit, mit der das vom Faser-Bragg-Gitter rückreflektierte optische Signal zur Be stimmung seiner Wellenlänge aufgeteilt, eine Frequenz- Amplituden-Wandlung durchgeführt wird, die Intensität der op tischen Signale detektiert, verstärkt und mittels entsprechen der Hard- und Software ausgewertet wird.The invention relates to an arrangement for evaluation narrow banded optical signals, consisting of at least one fiber Bragg Grid and an evaluation unit with which the from Fiber Bragg grating back-reflected optical signal for loading divided its wavelength, a frequency Amplitude conversion is performed, the intensity of the op table signals detected, amplified and by means of corresponding the hardware and software is evaluated.
Faser-Bragg-Gitter sind Sensoren in Glasfasern, die unter an derem zur Messung von Dehnung und Temperatur eingesetzt wer den. So beispielsweise zur Langzeitüberwachung von Bauwerken, wie Brücken oder ähnlichem. Sie sind in sehr geringen Abmes sungen herstellbar und besitzen gute Stabilitätseigenschaften, das heißt, sie sind über einen sehr langen Zeitraum einsetz bar. Sie arbeiten quasi kalibrierfrei und können an oder in verschiedene Materialien appliziert werden. Es erfolgt keine Beeinflussung durch elektromagnetische Störstrahlung. Faser- Bragg-Gitter lassen sich einfach kaskadieren, ihr Messsignal ist wellenlängenkodiert und somit dämpfungsunabhängig.Fiber Bragg gratings are sensors in glass fibers that are under who used to measure strain and temperature the. For example, for long-term monitoring of structures, like bridges or the like. They are of very small dimensions solutions and have good stability properties, that is, they are used over a very long period of time bar. They work practically without calibration and can be on or in different materials can be applied. There is no Influenced by electromagnetic interference. Fiber- Bragg gratings can be cascaded easily, their measurement signal is wavelength-coded and therefore independent of attenuation.
Zur Auswertung der Messsignale muss die Wellenlänge des durch das Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtes bestimmt wer den.To evaluate the measurement signals, the wavelength of the the fiber Bragg grating of back-reflected light determines who the.
Bekannt ist, optische Spektrumsanalysatoren in Verbindung mit einer breitbandigen Lichtquelle, wie Erbiumverstärker oder ELED einzusetzen. Diese genügen jedoch meist nicht den hohen Anfor derungen bezüglich Auflösung und Absolutgenauigkeit. Außerdem muss die Wellenlänge extern in die vom Sensor gemessene physi kalische Größe umgerechnet werden. Für dynamische Messungen ist diese Anordnung auch aufgrund langer Scanzeiten nicht geeignet.It is known to use optical spectrum analyzers in conjunction a broadband light source such as erbium amplifier or ELED use. However, these usually do not meet the high requirements changes regarding resolution and absolute accuracy. Moreover the wavelength must be externally in the physi calic size can be converted. For dynamic measurements this arrangement is also unsuitable due to long scanning times.
Die eingangs genannte Anordnung und die zugehörige Funktionsweise ist aus US 5,319,435 A bekannt. Hiernach wird eine Anordnung zur Auswertung von Dehnungs- oder Temperaturzuständen eines Materials beschrieben, die aus einem optischen Sensor besteht, der als Fühlelement ein Bragg-Gitter aufweist und der mit dem auszuwertenden Material so verbunden ist, dass sich bei Änderung des Materialzustandes auch die charakteristische Bragg-Wellenlänge des Bragg-Gitters ändert. Die Anordnung besteht des weiteren aus einer breitban digen Lichtquelle, von der aus das optische Signal über einen optischen Koppler zum Bragg-Gitter geleitet wird und aus einer Anordnung zur Teilung des schmalen Spektrums des vom Bragg- Gitter rückreflektierten Lichtes in wenigstens zwei Signale, bestehend aus einem weiteren optischen Koppler, sowie einer Verarbeitungsanordnung zum Auswertender Signale. Mittels we nigstens eines speziellen Filters erfolgt eine Wellenlängen- Amplituden-Wandlung, um die Wellenlänge des vom Sensor rückre flektierten Lichtes zu bestimmen. Photodioden detektieren die Signale, die anschließend verstärkt, mittels entsprechender Hard- und Software ausgewertet und in die gemessene physikali sche Größe umgerechnet werden. The arrangement mentioned at the outset and the associated mode of operation is off US 5,319,435 A known. An arrangement for evaluating Strain or temperature states of a material are described, which consists of an optical sensor that acts as a sensing element Bragg grid and that with the material to be evaluated is connected so that when the material condition changes also the characteristic Bragg wavelength of the Bragg grating changes. The arrangement also consists of a broad band The light source from which the optical signal is transmitted via a optical coupler is routed to the Bragg grating and from a Arrangement for dividing the narrow spectrum of the Bragg Grating of back-reflected light in at least two signals, consisting of a further optical coupler, as well as a Processing arrangement for evaluating the signals. By means of we at least one special filter Amplitude conversion to the wavelength of the return from the sensor to determine reflected light. Photodiodes detect the Signals that are subsequently amplified by means of appropriate Hardware and software evaluated and in the measured physi size can be converted.
Nachteilig an dieser Lösung sind neben der Empfindlichkeit ge genüber Rückreflexionen, Messwertschwankungen aufgrund von po larisationsabhängigen Verlusten bei der Signalaufteilung.A disadvantage of this solution are in addition to the sensitivity compared to back reflections, measured value fluctuations due to po larization-dependent losses in signal splitting.
Aus US 4,932,742 ist ein Multiplexmodul zur Trennung ver schiedener Wellenlängen bekannt. Bei der in dieser Schrift zum Stand der Technik beschriebenen Lösung handelt es sich um eine Anordnung für einen solchen Multiplexer, bei dem dieser aus einem Kantenfilter, angeordnet zwischen zwei GRIN- Linsen besteht. Mit dem GRIN-Linsenkoppler ist ein Lichtwellen leiterkabel verbunden, das Licht zweier Wellenlängen auf den Koppler überträgt. Zwei weitere, mit dem Koppler verbundene Lichtwellenleiterkabel, die der Aufnahme und Weiterleitung des im Koppler rückreflektierten Lichtes der einen Wellenlänge so wie des Lichtes der zweiten Wellenlänge, das den Koppler pas siert, dienen, sind jeweils einem optischen Detektor zugeord net. Die Detektoren sind wiederum jeweils mit einer elektroni schen Schaltungsanordnung verbunden.From US 4,932,742 a multiplex module for separation ver different wavelengths known. At the in this Scripture to the state of the art solution it is is an arrangement for such a multiplexer, in which this from an edge filter, arranged between two GRIN Lenses. With the GRIN lens coupler is a light wave connected cable, the light of two wavelengths on the Coupler transmits. Two more connected to the coupler Fiber optic cable, which the recording and forwarding of the back-reflected light of the one wavelength in the coupler like the light of the second wavelength that passes the coupler Siert, serve, are each assigned to an optical detector net. The detectors are in turn each with an electroni connected circuit arrangement.
Diese Anordnung dient der Trennung zweier unterschiedlicher Wellenlängen, um eine bestimmte Wellenlänge herauszufiltern. Es erfolgt eine Trennung in zwei optische Kanäle, um einen be stimmten Kanal auswählen zu können. Die exakte Wellenlänge des jeweiligen Kanals kann mit dieser Anordnung nicht bestimmt wer den.This arrangement serves to separate two different ones Wavelengths to filter out a specific wavelength. It there is a separation into two optical channels to be one to be able to select the right channel. The exact wavelength of the channel cannot be determined with this arrangement the.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Anordnung der ein gangs erwähnten Art so weiterzubilden, dass polarisationsabhän gige Verluste bei der Signalaufteilung auf ein Minimum be schränkt werden, die Absolutgenauigkeit der Messwerte erhöht, ein Empfindlichkeitsgewinn erzielt wird und die Auswertung des rückreflektierten optischen Signals technologisch einfacher und kostengünstiger durchführbar ist. It is therefore an object of the invention to arrange the one to further develop the type mentioned above in such a way that polarization-dependent losses to a minimum be restricted, the absolute accuracy of the measured values increases, a gain in sensitivity is achieved and the evaluation of the retroreflected optical signal technologically easier and is more cost-effective.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass die Auswerteeinheit zur gleichzeitigen Signalaufteilung und Fre quenz-Amplituden-Wandlung des rückreflektierten optischen Sig nals einen GRIN-Linsenkoppler aufweist, an dessen zwischen bei den GRIN-Linsen angeordneter und fest mit den GRIN-Linsen ver bundener Filterschicht die Signalaufteilung und die Frequenz- Amplituden-Wandlung erfolgt.According to the invention, the task with an arrangement according to Preamble of claim 1 solved in that the Evaluation unit for simultaneous signal distribution and Fre frequency-amplitude conversion of the back-reflected optical sig nals has a GRIN lens coupler, on the between at the GRIN lenses arranged and fixed to the GRIN lenses bound filter layer the signal distribution and the frequency Amplitude conversion takes place.
Mit dieser Anordnung werden polarisationsabhängige Verluste na hezu vollständig unterbunden, da der GRIN-Linsen-Koppler gegen über bekannten faseroptischen Kopplern, wie beispielsweise Schmelzkoppler, nach einem völlig anderen Wirkprinzip arbeitet. Seine Filtercharakteristik ist durch entsprechende Dimensionie rung der Filterschicht frei wählbar, die thermischen Einflüsse auf die Filtercharakteristik sind ebenfalls sehr gering. Der Einsatz dieses einen kompakten Bauelementes, welches beide Funktionen, nämlich Teilung des rückreflektierten Signals bei gleichzeitiger Frequenz-Amplituden-Wandlung durchführt, unter bindet die Freistrahlung des Lichtes, wodurch Fabry-Perot- Effekte, welche die Messgenauigkeit verringern, unterdrückt werden. Zusätzlich wird ein Empfindlichkeitsgewinn in Bezug auf die in US 5,319,435 A beschriebenen Anordnung erzielt. Weitere spezielle Filter, die als gesonderte Bauteile in die Anordnung eingebunden werden müssen, sind nicht notwendig. Daher ist die erfindungsgemäße Anordnung bei optimaler Messdatenauswertung kostengünstig herstellbar, die Auswertung der Messdaten erfolgt auf technologisch einfache Art und Weise.With this arrangement, polarization-dependent losses na completely prevented because the GRIN lens coupler against over known fiber optic couplers, such as Melting coupler, works on a completely different principle. Its filter characteristic is due to appropriate dimensioning The filter layer can be freely selected, the thermal influences on the filter characteristics are also very low. The Use of this one compact component, both of which Functions, namely division of the back-reflected signal performs simultaneous frequency-amplitude conversion, under binds the free radiation of light, whereby Fabry-Perot Effects that reduce measurement accuracy are suppressed become. In addition, a gain in sensitivity with respect to achieved the arrangement described in US 5,319,435 A. Further special filters, which as separate components in the arrangement need to be involved are not necessary. Hence the Arrangement according to the invention with optimal measurement data evaluation Cost-effective to produce, the measurement data is evaluated in a technologically simple way.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen An ordnung besteht die Auswerteeinheit aus wenigstens einer breit bandigen Lichtquelle, einem Lichtwellenleiter, einem faseropti schen Koppler, dem GRIN-Linsenkoppler und einer Anordnung zur Verarbeitung der geteilten Signale. Dabei wird das Licht der breitbandigen Lichtquelle mittels des Lichtwellenleiters in den faseroptischen Koppler eingespeist, der es in das Faser-Bragg- Gitter weiterleitet und das rückreflektierte Licht direkt dem GRIN-Linsenkoppler zuführt. Die Anordnung zur Verarbeitung der geteilten Signale besteht aus Fotodioden, Verstärkern und Hard- und Software.According to an advantageous embodiment of the invention the evaluation unit consists of at least one wide banded light source, an optical fiber, a fiber optic coupler, the GRIN lens coupler and an arrangement for Processing the divided signals. The light of the broadband light source by means of the optical fiber in the fiber-optic coupler that feeds it into the fiber Bragg Grid forwards and the back-reflected light directly to the GRIN lens coupler feeds. The arrangement for processing the divided signals consists of photodiodes, amplifiers and hardware and software.
Mit diesem konstruktiv einfachen Aufbau der Anordnung können über einen langen Zeitraum hinweg beispielsweise Dehnungs änderungen eines Materials oder eines Bauwerkes mittels eines vor Ort angeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensors durchgeführt werden. Der Sensor kann dabei direkt in das Material eingebet tet sein. Die Daten sind jederzeit abruf- und an zentraler Stelle mittels der Auswerteeinheit bei hoher Genauigkeit aus wertbar.With this structurally simple structure of the arrangement can over a long period of time, for example Changes to a material or structure using a fiber Bragg grating sensor arranged on site become. The sensor can be embedded directly in the material be. The data can be called up at any time and is more central Issue with the evaluation unit with high accuracy cycled.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung weist die Faser-Bragg-Gitter-Anordnung wenigstens zwei Faser-Bragg-Gitter auf, die über einen opti schen Schalter mit dem faseroptischen Koppler verbunden sind.According to another advantageous embodiment of the inventions arrangement according to the invention has the fiber Bragg grating arrangement at least two fiber Bragg gratings on an opti switches are connected to the fiber optic coupler.
Hiernach kann die Auswerteeinheit zur Auswertung der Messdaten kostengünstig für mehrere Faser-Bragg-Gitter genutzt werden. Mit Hilfe des optischen Schalters werden die auszuwertenden, rückreflektierten Signale der einzelnen Faser-Bragg-Gitter wahlweise oder nach einem vorgegebenen Programm zum GRIN- Linsen-Koppler geleitet.The evaluation unit can then evaluate the measurement data can be used inexpensively for several fiber Bragg gratings. With the help of the optical switch, the back-reflected signals of the individual fiber Bragg gratings optionally or according to a predefined program for the GRIN Lens coupler directed.
Aus Kosten- und technologischen Gründen von Vorteil ist auch, wenn die Auswerteeinheit wenigstens zwei parallel geschaltete und im Zeitmultiplex arbeitende, breitbandige Lichtquellen auf weist, die über jeweils einen faseroptischen Koppler mit je weils einem Faser-Bragg-Gitter verbunden sind.It is also advantageous for cost and technological reasons if the evaluation unit has at least two connected in parallel and time-division multiplexing, broadband light sources points, each with a fiber optic coupler because a fiber Bragg grid are connected.
Nach dieser Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, Messdaten von Faser-Bragg-Gittern, die gleiche oder auch verschiedene physikalische Größen messen, auszuwerten. Da hierbei vermieden wird, mechanische Bauelemente in den An ordnungsaufbau einzubeziehen, erfolgen die Messungen schneller, die Messanordnung ist weniger störanfällig. According to this embodiment of the arrangement according to the invention, it is possible to measure data from fiber Bragg gratings, the same or also measure and evaluate different physical quantities. There this avoids mechanical components in the An order, the measurements take place faster, the measuring arrangement is less susceptible to interference.
Nach einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausführung des GRIN-Linsen-Kopplers weist dieser einen Eingang und zwei Ausgänge für Transmission und Reflexion auf.After a particularly simple and inexpensive execution The GRIN lens coupler has one input and two Outputs for transmission and reflection on.
Bei Einsatz der Auswerteeinheit zur Auswertung der Meßdaten mehrerer Faser-Bragg-Gitter ist es von Vorteil, wenn der GRIN- Linsen-Koppler wenigstens zwei Eingänge für das rückreflek tierte Licht der Faser-Bragg-Gitter und wenigstens zwei Aus gänge für Transmission und Reflexion aufweist.When using the evaluation unit to evaluate the measurement data several fiber Bragg gratings, it is advantageous if the GRIN Lens coupler at least two inputs for the back reflection light from the fiber Bragg grating and at least two out gears for transmission and reflection.
Dadurch werden weitere zusätzliche Bauelemente eingespart. Allerdings ist die Herstellung solcher GRIN-Linsen-Koppler technologisch aufwendiger und damit kostenintensiver.This saves additional additional components. However, the manufacture of such GRIN lens couplers technologically more complex and therefore more expensive.
Daher ist erfindungsgemäß des weiteren vorgesehen, daß bei Anordnung mehrerer breitbandiger Lichtquellen und einem GRIN- Linsen-Koppler, der nur einen Eingang aufweist, ein weiterer faseroptischer Koppler zwischengeschaltet ist, der wenigstens die gleiche Anzahl Eingänge aufweist, wie Faser-Bragg-Gitter angeordnet sind und der das rückreflektierte optische Signal aller angeordneter Faser-Bragg-Gitter zum GRIN-Linsen-Koppler leitet.Therefore, the invention further provides that at Arrangement of multiple broadband light sources and a GRIN Lens coupler that has only one input, another fiber optic coupler is interposed, at least has the same number of inputs as fiber Bragg gratings are arranged and the back-reflected optical signal all arranged fiber Bragg grating to the GRIN lens coupler passes.
Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei inThe arrangement according to the invention is described below with reference to Embodiments are explained in more detail. The associated Drawing shows in
Fig. 1 eine einfache Ausführungsform der Anordnung in prinzipieller Darstellung, Fig. 1 shows a simple embodiment of the arrangement in basic representation,
Fig. 2 eine Anordnung zur Auswertung der Meßdaten zweier Faser-Bragg-Gitter, deren Meßdaten über einen opti schen Schalter der Auswerteeinheit zugeführt werden, Fig. 2 shows an arrangement for evaluating the measurement data of two fiber Bragg gratings, the measured data are supplied via an optical switch of the rule evaluation unit,
Fig. 3 einen GRIN-Linsen-Koppler mit zwei Ein- und zwei Aus gängen, Figure 3 is a GRIN-lens coupler with two inputs and two of corridors.,
Fig. 4 eine weitere Anordnung, in die der GRIN-Linsen-Koppler gemäß Fig. 3 einbezogen ist und zwei ELED-Lichtquel len, zwei 3 dB faseroptische Schmelzkoppler und zwei Faser-Bragg-Gitter aufweist und Fig. 4 shows another arrangement in which the GRIN lens coupler according to FIG. 3 is included and two ELED light sources, two 3 dB fiber optic fusion couplers and two fiber Bragg gratings and
Fig. 5 eine Anordnung mit zwei ELED-Lichtquellen, zwei 3 dB faseroptischen Schmelzkopplern, zwei Faser-Bragg-Git tern, einen zusätzlich zwischengeschalteten 3 dB fase roptischen Schmelzkoppler und einem GRIN-Linsen-Kopp ler mit nur einem Eingang. Fig. 5 shows an arrangement with two ELED light sources, two 3 dB fiber optic fusion couplers, two fiber Bragg grids, an additional intermediate 3 dB fiber optic fusion coupler and a GRIN lens coupler with only one input.
Nach Fig. 1 besteht die Anordnung zur Auswertung von schmal bandigen optischen Signalen aus der Faser-Bragg-Gitter-An ordnung 1 und der Auswerteeinheit 2. Die Auswerteeinheit 2 weist eine breitbandige Lichtquelle 3, beispielsweise eine ELED auf, die über einen Lichtwellenleiter 4 mit einem optischen 3 dB-Schmelzkoppler als faseroptischen Koppler 5 und mit einem Faser-Bragg-Gitter 6 der Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1 verbunden ist. Das Faser-Bragg- Gitter 6 ist beispielsweise als Dehnungssensor an oder in einer Brücke fest angeordnet und soll der Langzeitüberwachung von eintretenden Änderungen des Zustandes der Brücke dienen. Der Dehnungssensor besteht dabei im wesentlichen aus einem in einem - in der Zeichnung nicht gezeigten - Sensorträger an geordneten Lichtwellenleiter 7, der das Faser-Bragg-Gitter 6 aufweist.According to Fig. 1, the arrangement is for the evaluation of narrow bandigen optical signals from the fiber Bragg grating to trim 1 and the evaluation unit 2. The evaluation unit 2 has a broadband light source 3 , for example an ELED, which is connected via an optical waveguide 4 to an optical 3 dB fusion coupler as a fiber optic coupler 5 and to a fiber Bragg grating 6 of the fiber Bragg grating arrangement 1 , The fiber Bragg grating 6 is arranged, for example, as a strain sensor on or in a bridge and is intended for long-term monitoring of changes in the state of the bridge that occur. The strain sensor consists essentially of a - in the sensor carrier (not shown in the drawing) to ordered optical waveguide 7 , which has the fiber Bragg grating 6 .
Der faseroptische Koppler 5 ist des weiteren direkt mit dem GRIN- Linsen-Koppler 8, der sowohl der Teilung als auch gleichzeitig der Frequenz-Amplituden-Wandlung des vom Faser-Bragg-Gitter 6 rückreflektiertenen Signals dient, verbunden.The fiber optic coupler 5 is furthermore directly connected to the GRIN lens coupler 8 , which serves both for the division and simultaneously for the frequency-amplitude conversion of the signal reflected back by the fiber Bragg grating 6 .
Der GRIN-Linsen-Koppler 8 besteht im wesentlichen aus zwei GRIN-Linsen 9 und 10 und einer zwischen beiden fest angeordne ten Filterschicht 11, die als Kantenfilter ausgebildet ist. Das rückreflektierte Signal wird über einen Eingang 12 in den GRIN-Linsen-Koppler 8 geleitet und nach Teilung und Wandlung durch zwei Ausgänge 13, 14 je einer Photodiode 15, 16 und einem Verstärker 17, 18 zur Messung der Energiemenge und zur Umwandlung in Spannungsgrößen zugeführt. Die analogen Spannungswerte werden im weiteren in einem Analog-Digital-Wand er 19 digitalisiert und mittels eines Mikrocontrollers 20 zur Berechnung und Auswertung einem mit entsprechender Software ausgestatteten Computer 21 weitergereicht.The GRIN lens coupler 8 consists essentially of two GRIN lenses 9 and 10 and a filter layer 11 between two firmly arranged, which is designed as an edge filter. The back-reflected signal is fed via an input 12 into the GRIN lens coupler 8 and, after division and conversion, is fed through two outputs 13 , 14 each to a photodiode 15 , 16 and an amplifier 17 , 18 for measuring the amount of energy and converting it into voltage quantities , The analog voltage values are further digitized in an analog-digital wall 19 and passed on to a computer 21 equipped with appropriate software by means of a microcontroller 20 for calculation and evaluation.
Die Funktionsweise der Anordnung ist folgende:
Das von der Lichtquelle 3, einer ELED kommende breitbandige Licht wird mittels
des faseroptischen Kopplers 5 zum Faser-Bragg-Gitter 6 des Bragg-Gitter-
Sensors zugeleitet. Dieser leitet Signale in Abhängigkeit von
der Wellenlänge weiter, ein schmalbandiges optisches Signal
wird über den faseroptischen Koppler 5 rückreflektiert und zum GRIN-Linsen-
Koppler 8 geleitet. Hier wird das Leistungsspektrum des rück
reflektierten Lichtes entsprechend der vorgegebenen Filter
charakteristik in unterschiedliche Leistungsteile für
Transmission und Reflexion aufgeteilt. Dabei erfolgt gleich
zeitig die Bewertung des schmalbandigen optischen Signals
durch Frequenz-Amplituden-Wandlung. Die dadurch erhaltenen
zwei Signale unterschiedlicher Wertigkeit werden über die
Ausgänge 13 und 14 des GRIN-Linsen-Kopplers 8 jeweils einer
Photodiode 15 oder 16 und einem Verstärker 17 oder 18 zugelei
tet und in analoge Spannungswerte U1 beziehungsweise U2 wei
terverarbeitet. Diese Spannungswerte U1 und U2 werden im Ana
log-Digital-Wandler 19 digitalisiert und im Microcontroller 20 und im Computer 21
entsprechend berechnet, gespeichert und ausgewertet. Durch
Bildung des Differenzenquotienten
The arrangement works as follows:
The broadband light coming from the light source 3 , an ELED, is fed to the fiber Bragg grating 6 of the Bragg grating sensor by means of the fiber optic coupler 5 . This forwards signals depending on the wavelength, a narrow-band optical signal is reflected back via the fiber-optic coupler 5 and passed to the GRIN lens coupler 8 . Here the power spectrum of the reflected light is divided into different power parts for transmission and reflection according to the specified filter characteristics. The narrow-band optical signal is evaluated at the same time by frequency-amplitude conversion. The two signals of different valence obtained in this way are fed via the outputs 13 and 14 of the GRIN lens coupler 8 to a photodiode 15 or 16 and an amplifier 17 or 18, respectively, and further processed into analog voltage values U1 and U2, respectively. These voltage values U1 and U2 are digitized in the analog-digital converter 19 and calculated, stored and evaluated accordingly in the microcontroller 20 and in the computer 21 . By forming the difference quotient
erhält man einen dämpfungsunabhängigen Meßwert. Zur Berechnung der Wellenlänge wird ein Polynom n-ter Ordnung verwendet, welches zuvor durch die Aufnahme einer Kalibrierkurve ermittelt wurde. Die Umrechnung in die gemessene physikalische Größe erfolgt unter Berücksichtigung der konkreten Faser-Bragg-Git ter-Parameter.you get a damping-independent measurement. For calculating a wavelength of the nth order is used, which was previously determined by recording a calibration curve has been. The conversion into the measured physical quantity takes into account the specific fiber Bragg-Git ter parameters.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen der Anordnung. Figs. 2 to 5 show further possible embodiments of the arrangement.
Nach Fig. 2 kann das breitbandige Licht der Lichtquelle 3, einer ELED wenigstens an zwei über den faseroptischen Koppler 5 und einen optischen Schalter 22 verbundene Faser-Bragg-Gitter 6 und 23, die in optischen Sen soren angeordnet sind, die auch zur Messung unterschiedlicher physikalischer Größen ausgebildet sein können, weitergeleitet werden. Dabei verbindet der optische Schalter 22 wahlweise oder nach einem voreinstellbaren Programmablauf die einzelnen Faser- Bragg-Gitter 6, 23 mit der breitbandigen Lichtquelle 3. Der übrige Anordnungsaufbau ist der gleiche, wie anhand der Fig. 1 bereits erläutert.According to FIG. 2, the wideband light, the light source 3, an ELED connected at at least two optical fiber coupler 5 and an optical switch 22 fiber Bragg grating 6 and 23, the sensors in the optical Sen are arranged, which is also different for measuring physical quantities can be formed, forwarded. The optical switch 22 connects the individual fiber Bragg gratings 6 , 23 with the broadband light source 3 either selectively or according to a presettable program sequence. The rest of the arrangement structure is the same as already explained with reference to FIG. 1.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des GRIN-Linsen- Kopplers gezeigt. Danach weist dieser GRIN-Linsen-Koppler 24 zwei Eingänge 12, 25 und ebenfalls zwei Ausgänge 13, 14 auf, wobei die Anzahl Ein- und Ausgänge auch noch weiter variierbar ist. Das durch den Eingang 12 auf die Filterschicht 11 auf treffende Licht wird entsprechend der vorgegebenen Filter charakteristik entweder zum Ausgang 14 weitergeleitet oder zu Ausgang 13 rückreflektiert. Trifft das optische Signal durch Eingang 25 auf die Filterschicht 11 auf, dann erfolgt die Aufteilung der Signale durch Ausgang 13 (Transmission) und Ausgang 14 für das reflektierte Signal. Mit der Aufteilung erfolgt die Frequenz-Amplituden-Wandlung des optischen Si gnals.In Fig. 3, another embodiment of the GRIN-lens coupler is shown. Thereafter, this GRIN lens coupler 24 has two inputs 12 , 25 and also two outputs 13 , 14 , the number of inputs and outputs being variable even further. The light striking through the input 12 on the filter layer 11 is either forwarded to the output 14 according to the predetermined filter characteristic or reflected back to the output 13 . If the optical signal strikes the filter layer 11 through input 25 , then the signals are divided by output 13 (transmission) and output 14 for the reflected signal. With the division, the frequency-amplitude conversion of the optical signal takes place.
Mit diesem GRIN-Linsen-Koppler 24 ist es möglich, wie in Fig. 4 dargestellt, auf den optischen Schalter 22 zu verzichten, der im gesamten Anordnungsaufbau je nach Häufigkeit der auszu führenden Schaltvorgänge ein relativ störanfälliges Bauteil darstellen kann. Nach Fig. 4 ist jedes Faser-Bragg-Gitter 6, 23 über jeweils einen 3 dB-Schmelzkoppler als faseroptischen Koppler 5, 26 mit je einer ELED als Lichtquelle 3, 27 verbunden, die parallel geschaltet sind und im Zeitmultiplex arbeiten. Dadurch wird erreicht, daß die Aus wertung der schmalbandigen Signale der Faser-Bragg-Gitter 6, 23 stets nach einer vorgegebenen Reihenfolge erfolgt. Mit einer Auswerteeinheit können demnach die Signale mehrerer Faser-Bragg-Gitter 6, 23 ausgewertet werden, was insbesondere aus ökonomischer Sicht von Vorteil ist.With this GRIN lens coupler 24 , it is possible, as shown in FIG. 4, to dispense with the optical switch 22 which, depending on the frequency of the switching operations to be carried out, can represent a relatively fault-prone component in the overall arrangement structure. According to FIG. 4, each fiber Bragg grating 6 , 23 is connected via a 3 dB fusion coupler as fiber-optic coupler 5 , 26 to an ELED as light source 3 , 27 , which are connected in parallel and work in time-division multiplex. This ensures that the evaluation of the narrow-band signals from the fiber Bragg grating 6 , 23 always takes place in a predetermined order. The signals of a plurality of fiber Bragg gratings 6 , 23 can accordingly be evaluated with an evaluation unit, which is particularly advantageous from an economic point of view.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Hiernach ist der GRIN-Linsen- Koppler 8, der nur einen Eingang aufweist, in die Anordnung nach Fig. 4 eingesetzt. Bei dieser Ausführung wird zusätzlich ein 3 dB Schmelzkoppler als faseroptischer Koppler 28 notwendig, der zwischen den mit den Faser-Bragg-Gittern 6 und 23 verbundenen Kopplern 5 und 26 und dem GRIN-Linsen-Koppler 8 angeordnet ist und der die optischen Signale der einzelnen Faser-Bragg-Gitter 6, 23 dem einen Ein gang 12 des GRIN-Linsen-Kopplers 8 zur weiteren Verarbeitung zuleitet. Im weiteren ist diese Anordnung ebenfalls so ausge bildet wie zu Fig. 1 bereits erläutert. Another advantageous embodiment of the arrangement is shown in FIG. 5. The GRIN lens coupler 8 , which has only one input, is then inserted into the arrangement according to FIG. 4. In this embodiment, a 3 dB melt coupler is additionally required as a fiber-optic coupler 28 , which is arranged between the couplers 5 and 26 connected to the fiber Bragg gratings 6 and 23 and the GRIN lens coupler 8 and which the optical signals of the individual Fiber Bragg grating 6 , 23 which supplies an input 12 of the GRIN lens coupler 8 for further processing. Furthermore, this arrangement is also formed as already explained for FIG. 1.
11
Faser-Bragg-Gitter-Anordnung
Fiber Bragg grating arrangement
22
Auswerteeinheit
evaluation
33
breitbandige Lichtquelle (ELED)
broadband light source (ELED)
44
Lichtwellenleiter
optical fiber
55
faseroptischer Koppler (3 dB-Schmelzkoppler)
fiber optic coupler (3 dB melt coupler)
66
Faser-Bragg-Gitter
Fiber Bragg Grating
77
Lichtwellenleiter
optical fiber
88th
GRIN-Linsen-Koppler
GRIN lenses coupler
99
GRIN-Linse
GRIN lens
1010
GRIN-Linse
GRIN lens
1111
Filterschicht
filter layer
1212
Eingang
entrance
1313
Ausgang
output
1414
Ausgang
output
1515
Photodiode
photodiode
1616
Photodiode
photodiode
1717
Verstärker
amplifier
1818
Verstärker
amplifier
1919
Analog-Digital-Wandler
Analog to digital converter
2020
Mikrocontroller
microcontroller
2121
Computer
computer
2222
optischer Schalter
optical switch
2323
Faser-Bragg-Gitter
Fiber Bragg Grating
2424
GRIN-Linsen-Koppler
GRIN lenses coupler
2525
Eingang
entrance
2626
faseroptischer Koppler (3 dB-Schmelzkoppler)
fiber optic coupler (3 dB melt coupler)
2727
breitbandige Lichtquelle (ELED)
broadband light source (ELED)
2828
faseroptischer Koppler (3 dB-Schmelzkoppler)
D Differenzenquotient
U1 Spannungswert
U2 Spannungswert
fiber optic coupler (3 dB melt coupler)
D difference quotient
U1 voltage value
U2 voltage value
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