DE19935845A1

DE19935845A1 - Sensor und Verfahren zum Messen von Umgebungszustandsänderungen

Info

Publication number: DE19935845A1
Application number: DE19935845A
Authority: DE
Inventors: Mark S Miller
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2000-03-30
Also published as: US6577402B1; US6118534A; GB2340230A; GB9917629D0; GB2340230B

Abstract

Ein Sensor weist ein Interferometer auf, das eine Änderung eines vorliegenden bzw. zu bestimmenden Umgebungszustands bezüglich eines Referenz-Umgebungszustands mißt. Das Interferometer wird unter dem vorliegenden Umgebungszustand betrieben, um ein Interferenzspektrum zu erzeugen. Intensitäten des Interferenzspektrums werden bei einer ersten bzw. bei einer zweiten Wellenlänge gemessen. Die erste und die zweite Wellenlänge entsprechen einer ersten und einer zweiten Referenzintensität, die auf jeweils einer Seite eines Extremums im Interferenzspektrum liegen, wenn das Interferometer unter dem Referenzzustand betrieben wird. Eine Messung der Änderung des zu bestimmenden Umgebungszustands basiert auf den gemessenen Intensitäten und auf der ersten und der zweiten Referenzintensität.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zum Messen von Umgebungszustandsänderungen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Sensor und ein Verfahren, in denen ein optisches Interferometer verwen det wird, um kleine Änderungen des Drucks, der Temperatur oder ähnlicher Parameter exakt zu bestimmen.

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Sensoren verwendet, um sorgfältige und exakte Messungen für die Flug steuerung, die Triebwerk- oder Motorsteuerung und Cockpit- Sichtanzeigesysteme durchzuführen. Diese Sensoren weisen Pi tot- oder Staudruckmeßfühler, Lufttemperatursensoren, Trieb werk- oder Motortemperatursensoren, Drucksensoren, Anstell winkelsensoren und Durchsack-Warnsensoren auf. In einigen Sensoren wurden Interferometer zum Messen der ausgewählten Parameter verwendet. Ein Beispiel eines Interferometers ist ein Fabry-Perot-Interferometer, das zwei teilreflektierende und voneinander getrennte Flächen aufweist. Der Umgebungszu stand eines zu messenden Parameters wird mit einem der bei den reflektierenden Flächen betrieblich gekoppelt, so daß durch eine Änderung des Zustands des Parameters der Abstand zwischen den Flächen oder die optischen Eigenschaften des zwischen den Flächen befindlichen Mediums verändert werden. Das Interferometer mißt den Abstand zwischen den reflektie renden Flächen basierend auf der Interferenz zwischen von den Flächen reflektiertem Licht. In zahlreichen verschieden artigen Interferenzsensoren wird dieses Prinzip ausgenutzt.

Durch den erfindungsgemäßen Sensor und das erfindungs gemäße Verfahren wird eine Änderung eines vorliegenden oder zu bestimmenden Umgebungszustands bezüglich eines Bezugs- oder Referenz-Umgebungszustands gemessen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren die Schritte auf: Betreiben eines Interferometers unter dem vorliegenden oder zu bestimmenden Umgebungszustand, um ein Interferenz spektrum zu erzeugen; Messen von Intensitäten des Interfe renzspektrums bei einer ersten und bei einer zweiten Wellen länge, wobei die erste und die zweite Wellenlänge einer er sten und einer zweiten Bezugs- oder Referenzintensität ent sprechen, die auf jeweils einer Seite eines Extremums im In terferenzspektrum liegen, wenn das Interferometer unter dem Referenzzustand betrieben wird; und Messen der Änderung des zu bestimmenden Umgebungszustands basierend auf den gemesse nen Intensitäten bei der ersten und bei der zweiten Wellen länge und basierend auf der ersten und der zweiten Referen zintensität.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Sensor optische Elemente auf, die einen optischen Weg definieren, der mit dem Umgebungszustand betrieblich ge koppelt ist, wenn der Sensor dem Umgebungszustand ausgesetzt ist. Eine polychromatische Lichtquelle ist mit der ersten und mit der zweiten reflektierenden Fläche optisch gekop pelt. Ein spektrales Element ist mit der ersten und mit der zweiten reflektierenden Fläche optisch gekoppelt und zerlegt oder streut von der ersten und von der zweiten reflektieren den Fläche reflektiertes Licht räumlich als Funktion der Wellenlänge. Ein erstes und ein zweites lichtempfindliches Element sind mit dem spektralen Element optisch gekoppelt und so angeordnet, daß sie Licht vom spektralen Element für einen ausgewählten ersten bzw zweiten Wellenlängenbereich empfangen. Die Ausgangssignale des ersten und des zweiten lichtempfindlichen Elements stellen die Lichtintensität im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich dar. Eine Meßvor richtung mißt die Änderung der Umgebungszustands basierend auf den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten licht empfindlichen Elements und basierend auf einem ersten und einem zweiten Referenzwert. Der erste und der zweite Refe renzwert stellen Lichtintensitäten im ersten und im zweiten Wellenlägenbereich dar, wenn der Sensor dem Referenz- Umgebungszustand ausgesetzt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nach stehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

Fig. 2 zeigt eine Darstellung der spektralen Intensität als Funktion der Wellenlänge für ein in der in Fig. 1 darge stellten Meßvorrichtung erzeugtes repräsentatives Interfe renzspektrum;

Fig. 3 zeigt eine repräsentative Darstellung einer Spannung als Funktion der Wellenlänge, wobei die Spannung dem Ausgangssignal einer optischen Detektoranordnung in der Meßvorrichtung entspricht, und wobei der Sensor einem ausge wählten Referenz-Umgebungszustand ausgesetzt ist;

Fig. 4 zeigt eine repräsentative Darstellung einer Spannung als Funktion der Wellenlänge, die unter vom in Fig. 3 vorliegenden Referenz-Umgebungszustand verschiedenen Umgebungszuständen erhalten wird;

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Verarbeitung zum Bestimmen einer Umgebungszustandsänderung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Sensor- oder Erfassungsabschnitts einer alternativen Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht eines Erfas sungsabschnitts der in Fig. 6 dargestellten Meßvorrichtung;

Fig. 8 zeigt eine Querschnittansicht einer Ausführungs form eines Sensorendes von Fig. 6 zum Messen von Brechungs indexänderungen;

Fig. 9 zeigt eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform des Sensorendes von Fig. 6 zum Messen von Temperaturänderungen;

Fig. 10 zeigt eine Querschnittansicht einer anderen al ternativen Ausführungsform des Sensorendes von Fig. 6 zum Messer von Druckänderungen; und

Fig. 11 zeigt eine Querschnittansicht einer anderen al ternativen Ausführungsform des Sensorendes von Fig. 6 zum Messen von Beanspruchungen oder Belastungen.

Änderungen eines Umgebungszustands, z. B. des Drucks, der Temperatur, der Beanspruchung oder Belastung oder des Brechungsindex, bezüglich eines Referenzzustands können er findungsgemäß mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit durch Überwachen eines Interferometersignals bei zwei oder mehr Wellenlängen überwacht werden. Die beiden Wellenlängen werden so ausgewählt, daß sie unter dem gleichen Referenzzu stand bezüglich des Ausgangssignals (z. B. bezüglich der Spannung) als Funktion der Wellenlänge eine relativ große Steigung aufweisen. Durch überwachen von mindestens zwei Wellenlängen werden exakte und schnelle Messungen kleiner Umgebungszustandsänderungen ermöglicht, weil die grobe Stei gung für verhältnismäßig kleine Änderungen im Spektrum zu deutlichen Änderungen des Signals führt. Vorzugsweise ist die Größe der Steigung ein lokales Maximum. Wann die Wellen längen bei lokalen Extremwerten der Steigung auf beiden Sei ten eines Extremums des Signals ausgewählt werden, führen kleine Umgebungszustandsänderungen zu etwa gleichen und ent gegengesetzten Änderungen des Signals bei den beiden Wellen längen, die exakt mit Werten oder Änderungen des Umgebungs zustands korreliert werden können.

Interferometer können auf verschiedenen Konstruktionen basieren. Beispielsweise erzeugen Fabry-Perot-Interferometer ein Interferenzmuster, das auf Änderungen sowohl des Ab stands als auch der optischen Eigenschaften des Mediums zwi schen zwei optisch reflektierenden Flächen empfindlich ist. Diese Empfindlichkeit für Abstandsänderungen und Änderungen der optischen Eigenschaften wird erfindungsgemäß für exakte Messungen eines Umgebungszustands ausgenutzt. D. h., wenn die Position einer der Flächen für den zu überwachenden Umge bungszustand empfindlich ist, kann das Interferometer in ei nem Sensor verwendet werden, um Schwankungen des Umgebungs zustands zu messen. Um ein Signal bei den beiden vorstehend diskutierten Wellenlängen zu erzeugen, wird, nachdem das po lychromatische Licht von den beiden optisch reflektierenden Flächen reflektiert wurde, das polychromatische Licht durch ein Beugungselement entsprechend der Wellenlänge des Lichts räumlich zerlegt. Es können verschiedenartige Erfassungssy steme verwendet werden, um das reflektierte, räumlich zer legte Licht zu erfassen, wie nachstehend beschrieben wird. An Stelle des Fabry-Perot-Interferometers können andersarti ge Interferometer verwendet werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung 90 weist ein Fabry-Perot-Interferometer 100 und einen Prozessor 102 auf. Das Interferometer 100 weist reflektierende Flächen 104 und 106, einen Interferenz hohlraum 108, eine polychromatische Lichtquelle 110, einen Strahlenteiler 112, eine Kollimationslinse 114, ein Beu gungsgitter 116, eine Objektivlinse 118 und einen optischen Detektor 120 auf. Die Fläche 104 und die Fläche 106 sind durch ein optisch transparentes Medium, das den Interferenz hohlraum 108 bildet, voneinander getrennt. Der Interferenz hohlraum 108 hat eine Länge d. Bei einigen Ausführungsformen dient die reflektierende Fläche 104 außerdem als Meßwandler oder Umsetzer, der sich in Antwort auf Änderungen eines Um gebungszustands (EC) bewegt oder verformt, wodurch sich die Länge des Interferenzhohlraums 108 ändert. Die Fläche 104 und die Fläche 106 definieren einen optischen Weg durch ei nen Teil des Interferometers.

Bei alternativen Ausführungsformen kann das Interfero meter 100 die Struktur eines Michelson-Interferometers, ei nes Mach-Zehnder-Interferometers, eines Sagnac-Interfero meters oder eines anderen Interferometers haben. Ein Michel son-Interferometer teilt das Quellenlicht in zwei optische Wege, wobei das Licht in den optischen Wegen jeweils reflek tiert und wiedervereinigt wird. Ein Mach-Zehnder-Interfero meter teilt das Quellenlicht in zwei optische Wege, wobei das Licht in den optischen Wegen später wiedervereinigt wird, um Differenzen in den beiden optischen Wegen zu be stimmen. Ein Sagnac-Interferometer basiert auf sich inner- halb eines winkligen Weges gegenläufig ausbreitende Licht wellen.

Durch eine polychromatische Lichtquelle 110 wird Licht bereitgestellt, das durch geeignete optische Elemente, z. B. einen Strahlenteiler 112, durch die zweite reflektierende Fläche 106 in den Interferenzhohlraum 108 geleitet wird. Die polychromatische Lichtquelle 110 ist vorzugsweise eine weiße Lichtquelle, z. B. eine Glühlampe. Das in den Interferenz hohlraum 108 geleitete Licht wird von den Flächen 104 und 106 reflektiert.

Licht wird durch die Fläche 106 zum Strahlenteiler 112 als zurückreflektierter Lichtstrahl zurückgeleitet. Durch die Kombination der von den Flächen 104 und 106 reflektier ten Lichtstrahlen wird ein herkömmliches optisches Interfe renzsignal erzeugt. Der Strahlenteiler 112 richtet den zu rückreflektierten Lichtstrahl auf die Kollimationslinse 114, die den zurückreflektierten Lichtstrahl kollimiert. Die Kol limationslinse 114 kann bei einer alternativen Ausführungs form weggelassen werden, wenn das Licht vom Strahlenteiler 122 bereits ausreichend kollimiert ist. Der aus der Kollima tionslinse 114 austretende kollimierte Lichtstrahl trifft auf das Beugungsgitter 116 auf. Durch das Beugungsgitter 116 wird der kollimierte Lichtstrahl gemäß der Wellenlänge oder Frequenz räumlich zerlegt. Die Objektivlinse 118 fokussiert den wellenlängenzerlegten Lichtstrahl vom Beugungsgitter 116 auf den optischen Detektor 120. Bei alternativen Ausfüh rungsformen können andere optische Elemente, z. B. Spiegel, Linsen und ähnliche, verwendet werden, um Licht im Lichtweg vom Interferenzhohlraum 108 zum optischen Detektor 120 zu lenken und/oder zu fokussieren.

Bei einer Ausführungsform weist der optische Detektor 120 mehrere lichtempfindliche Elemente auf, z. B. ladungsge koppelte Schaltungen oder Bausteine (CCD), Photoelektronen vervielfacherröhren oder lichtempfindliche Dioden, die in einer linearer Reihe oder Anordnung ausgebildet sind. Jedes Element der Reihe oder Anordnung mißt einen bestimmten Wel lenlängenbereich basierend auf seiner Position relativ zum vom Beugungsgitter 116 wellenlängenzerlegten Lichtstrahl. Die Anordnung weist vorzugsweise eine mittelgroße Anzahl von Elementen, vorzugsweise 128 oder mehr Elemente, und bevor zugter 256 oder mehr Elemente, auf. Die Größe der Reihe oder Anordnung und die Positionierung der optischen Komponenten bestimmen den durch die Reihe oder Anordnung gemessenen Spektralbereich. Bei einigen Ausführungsformen hat die Reihe oder Anordnung einen Spektralbereich, der ausreichend ist, um ein oder mehrere Extrema im Interferenzmuster zu messen.

Bei alternativen Ausführungsformen weist der Detektor zwei oder mehr einzelne, nach Wunsch positionierte lichtemp findliche Elemente auf. Bei anderen alternativen Ausfüh rungsformen kann eine zweidimensionale Anordnung oder eine Kombination aus einer linearen Reihe oder Anordnung und ein zelnen lichtempfindlichen Elementen verwendet werden. Bei spielsweise kann eine lineare Reihe oder Anordnung verwendet werden, um eine Referenzintensitätskurve zu erhalten, wäh rend die einzelnen Elemente verwendet werden, um Intensitä ten bei ausgewählten Wellenlängen zu messen. Bei einer Kom bination aus einer linearen Reihe oder Anordnung und einzel nen Elementen kann die lineare Reihe oder Anordnung eine ge ringere Wellenlängenauflösung aufweisen, um für eine Überwa chung geeignete Wellenlängen in der Referenzintensitätskurve zu identifizieren. Dann werden einzelne lichtempfindliche Elemente bei den ausgewählten Wellenlängen verwandet, um die Änderung des betrachteten Umgebungszustands zu überwachen. Die lichtempfindlichen Elemente werden unmittelbar unter oder über der linearen Reihe oder Anordnung positioniert.

Die Größe der lichtempfindlichen Elemente in einer An ordnung oder Reihe oder als einzelne Elemente und die spek tralen Eigenschaften des Beugungsgitters 116 bestimmen den Wellenlängenbereich, der durch jedes Element abgedeckt wird, und dadurch die Empfindlichkeit des Detektors. Jedes licht empfindliche Element oder "Pixel" im optischen Detektor 120 erzeugt ein Signal, z. B. eine Spannung, deren Größe eine Funktion der in diesem Element erfaßten Lichtintensität ist. Die Intensität innerhalb eines Wellenlängenbereichs stellt das Interferenzmuster dar, das eine Funktion des Abstands zwischen den Flächen 104, 106 ist.

Der optische Detektor 120 weist einen mit dem Prozessor 102 verbundenen Ausgang 122 auf. Am Ausgang 122 können bei spielsweise Spannungssignale von jedem lichtempfindlichen Element oder ein eine Lichtintensität oder einen "Grauwert" in jedem Element darstellendes digitales Signal bereitge stellt werden. Der Prozessor 102 ist ein beliebiger geeigne ter Prozessor oder Mikroprozessor und kann einen Ana log/Digital-Wandler aufweisen. Bei alternativen Ausführungs formen kann der Prozessor 102 durch eine Analogschaltung oder eine Kombination aus einer Analogschaltung und einem digitalen Prozessor ersetzt werden. Der Prozessor 102 weist einen Speicher 130, eine Sichtanzeige oder Anzeigeeinrich tung 132 und eine Eingabevorrichtung 134 auf. Geeignete Sichtanzeigen oder Anzeigeeinrichtungen 132 sind beispiels weise eine Digitalanzeige, Lichter, die Werte innerhalb be stimmter Schwellenwerte anzeigen, oder ein akustisches Alarmsignal, das aktiviert wird, wenn der gemessene Umge bungszustand einen Schwellenwert überschreitet.

Wie vorstehend diskutiert, wird durch das von den Flä chen 104 und 106 reflektierte Licht ein Interferenzspektrum erzeugt. Fig. 2 zeigt eine repräsentative Darstellung der Intensität als Funktion der Wellenlänge für das Interferenz spektrum. Die verschiedenen Wellenlängen des reflektierten Lichts werden durch das Beugungsgitter 116 räumlich ge trennt, so daß das Interferenzspektrum unter Verwendung des optischen Detektors 120 gemessen werden kann. Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Spannungsausgangssignals als Funktion der Wellenlänge für die lichtempfindlichen Elemente im opti schen Detektor 120. Jedes lichtempfindliche Element des De tektors 120 erzeugt einen Wert (V = f(λ)) an einem diskreten Punkt auf der in Fig. 3 dargestellten kontinuierlichen Kur ve.

Der Sensor 90 wird kalibriert, indem der Meßwandler- oder Umsetzerabschnitt des Interferometers 100 einem Refe renz-Umgebungszustand ausgesetzt wird, so daß der Prozessor 102 zunächst eine Referenzkurve, z. B. die in Fig. 3 darge stellte Kurve, erstellt. Der Referenzzustand ist vorzugswei se ein erwarteter Mittelwert des Betriebszustands, z. B. ein erwarteter Druck, unter dem der Sensor verwendet wird. Durch Verwendung einer linearen Reihe oder Anordnung für den opti schen Detektor 120 kann der Prozessor 102 mehrere Punkte entlang der Kurve von Fig. 3 aus dem Ausgangssignal des op tischen Detektors 120 erzeugen. Bei alternativen Ausfüh rungsformen werden ein oder zwei lichtempfindliche Elemente als optischer Detektor 120 verwendet. Um die Kurve von Fig. 3 mit einem oder zwei lichtempfindlichen Elementen zu erzeu gen, tastet ein bewegliches optisches Element, z. B. ein Spiegel, das Wellenlängenspektrum über die lichtempfindli chen Elemente ab, um einen ausreichenden Teil der Kurve zu bestimmen. So lange der Referenz-Umgebungszustand für eine Zeitdauer ausreichend konstant ist, ist die zum Erzeugen ei ner Referenzkurve erforderliche Zeitdauer im allgemeinen re lativ unwesentlich.

Die bestimmte Darstellung von Fig. 3 weist drei Extrema 150, 152, 154 auf. Basierend auf dem unter dem Referenz- Umgebungszustand erzeugten Interferenzspektrum werden zwei Wellenlängen λ_A und λ_B ausgewählt, wobei die beiden Wellen längen auf entgegengesetzten Seiten eines einzelnen Extre mums, eines Minimums oder eines Maximums, in der Kurve ange ordnet sind. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Wellenlängen λ_A und λ_B auf entgegengesetzten Seiten des Minimums 152 angeordnet. Die den Wellenlängen λ_A und λ_B entsprechenden lichtempfindlichen Elemente erzeugen Spannun gen V_AR bzw. V_BR, wenn der Sensor 90 unter dem Referenz- Umgebungszustand betrieben wird. Obwohl zwei ausgewählte Wellenlängen im allgemeinen ausreichend sind, um exakte Er gebnisse zu erhalten, können auch weitere Wellenlängen, z. B. λ_C ausgewählt und durch den Prozessor 102 überwacht werden.

Um die Empfindlichkeit und Genauigkeit zu verbessern, befinden sich die ausgewählten Wellenlängen vorzugsweise am oder in der Nähe eines lokalen Maximums der Steigung der In tensitätskurve als Funktion der Wellenlänge. Im allgemeinen hat eine ausgewählte Wellenlänge einen Wert, der von den nächsten Extrema um mindestens etwa 1/4 der Wellenlängendif ferenz zwischen dem nächsten lokalen Maximum und dem näch sten lokalen Minimum beabstandet ist. D.h., die ausgewählte Wellenlänge befindet sich in der mittleren Hälfte des Wel lenlängenbereichs zwischen dem nächsten lokalen Maximum und dem nächsten lokalen Minimum.

Wenn der Sensor 90 durch Auswählen der Wellenlängen λ_A und λ_B einmal zum Messen eines bestimmten Referenz-Umge bungszustands vorbereitet ist, wird der Sensor 90 dem zu überwachenden Umgebungszustand ausgesetzt. Änderungen des, Umgebungszustands bezüglich des Referenz-Umgebungszustands führen zu einer Änderung der Länge d das Hohlraums 108. Dies führt zu einer Verschiebung im Interferenzspektrum und damit zu einer Änderung oder Verschiebung der Spannungen V_A und V_B bei den Wellenlängen λ_A und λ_B, wie durch einen Pfeil 156 in Fig. 4 dargestellt. Die Verschiebung 156 ist aus Darstel lungsgründen übertrieben dargestellt. Tatsächliche Span nungsänderungen oder -verschiebungen sind in typischen An wendungen wesentlich kleiner. Beispielsweise können für ein Interferenzmuster mit einer Spitzen-Spitzenspannung von etwa 5 V die Spannungen V_A und V_B um etwa ± 0,05 V bis etwa ± 0,1 Volt verschoben sein. Durch kleine Änderungen des Umge bungszustands wird nicht veranlaßt, daß die Extrema im In terferenzspektrum sich von einer Position zwischen λ_A und λ_B wesentlich verschieben, während der Umgebungszustand über wacht wird. Die Verschiebung in V_A und V_B relativ zueinander und relativ zu V_AR und V_BR wird durch den Prozessor 102 aus genutzt, um eine Änderung des Wertes des Umgebungszustands zu erfassen.

Das Verfahren zum Auswerten des Wertes des Umgebungszu stands ist in einem Ablaufdiagramm in Fig. 5 dargestellt. In Schritt 200 wird der Sensor 90 unter dem erwarteten Refe renz-Umgebungszustand betrieben. Dieser Schritt kann im La bor durch den Hersteller des Sensors oder außerhalb des La bors durch den Benutzer ausgeführt werden. Wenn einmal eine Referenzintensitäts (oder -spannungs)-kurve durch den Pro zessor 102 aufgenommen wurde, wählt der Prozessor 102, wie vorstehend beschrieben, in Schritt 202 Wellenlängen λ_A und λ_B auf beiden Seiten mindestens eines Extremums in der Kurve unter Verwendung einer im Speicher 130 gespeicherten Mu stererkennungssoftware oder unter Verwendung einer bekannten Trennung der Wellenlänge zwischen dem Spitzenwert und den ausgewählten Wellenlängen λ_A und λ_B aus. Alternativ stellt der Prozessor 102 die Referenzkurve auf der Sichtanzeige 132 dar, und der Benutzer wählt die Wellenlängen λ_A und λ_B aus und gibt die ausgewählten Werte über die Eingabeeinrichtung 134 ein. In Schritt 204 überwacht der Prozessor 102 die Re ferenzspannungen V_AR und V_BR bei den Wellenlängen λ_A und λ_B und speichert die Spannungswerte für eine spätere Verwen dung. Diese Werte können im Speicher 130 oder im Prozessor 102 gespeichert werden.

In Schritt 206 wird das Spannungsausgangssignal mit Än derungen des Umgebungszustands korreliert. Die einfachste Weise zum Korrelieren der Werte besteht darin, dem Sensor 90 bekannte Werte des Zustands zuzuführen und die entsprechende Änderung des Spannungsausgangssignals bei λ_A und λ_B zu mes sen. Die Korrelationsbeziehung kann für eine zukünftige Be zugnahme gespeichert werden, so daß ein Spannungsmeßwert durch Vergleich mit der gespeicherten Korrelationsbeziehung mit einem Wert des Zustands korreliert werden kann. Alterna tiv können die physikalischen Eigenschaften des Meßwandlers oder Umsetzers verwendet werden, um die Größe der Verschie bungen im Interferenzspektrum von Fig. 4 aufgrund der Ände rung der Position des Meßwandlers oder Umsetzers, die durch die Umgebungszustandsänderung erhalten wird, zu bestimmen. Die Korrelationsinformationen werden im Speicher 130 gespei chert.

Wenn die Wellenlängen λ_A und λ_B einmal ausgewählt wurden und die Korrelationen zwischen der Spannung und dem Umge bungszustand bestimmt wurden, wird der Sensor dem zu überwa chenden, sich ändernden Umgebungszustand ausgesetzt. In Schritt 208 werden die Spannungen V_A und V_B bei λ_A und λ_B ge messen, und der Wert oder Änderungen des Umgebungszustands werden bestimmt. Kleine Änderungen des Umgebungszustands können aus den Meßwerten der Intensität (die durch V_A und V_B dargestellt sind) basierend auf dem folgenden Ausdruck be stimmt werden:

[V_A-V_B]-[V_AR-V_BR] ∝ Änderung in EC,

wobei V_A den Ausgangsspannungswert bei λ_A zum Zeitpunkt der Messung, V_B die Ausgangsspannung bei λ_B zum Zeitpunkt der Messung, V_AR den Spannungswert bei λ_A bei dem Referenzzustand und V_BR den Spannungswert bei dem Referenzzustand bezeichnen. Kleine Änderungen können exakter gemessen werden, wenn λ_A und λ_B vorzugsweise bei Maximalwerten der Steigung der Refe renzspannung gemessen werden, weil eine kleine Änderung der Hohlraumlänge zu einer größeren Änderung von V_A und V_B führt als an den Extrema. Außerdem werden die Änderungen in V_A und V_B etwa gleich und entgegengesetzt, wodurch zwischen einer Hohlraumlängenänderung und Rauschen, z. B. elektrischem, elektromagnetischem und elektromechanischem Rauschen, unter schieden werden kann. Rauschen führt zu zufälligen Verschie bungen in V_A und V_B. In Schritt 210 führt der Prozessor der Sichtanzeige 132 beispielsweise ein die Änderung des Umge bungszustands anzeigendes Datenausgangssignal zu.

Prinzipiell ist es möglich, die Referenzkurve für eine bestimmte Installation des Sensors 90 nur einmal zu bestim men. Die Referenzkurve kann jedoch auch neu festgelegt wer den, um Änderungen des Referenzzustands zu berücksichtigen, z. B. eine Verschiebung oder Änderung des mittleren oder Be harrungszustandwertes des zu überwachenden Umgebungszu stands. Außerdem kann die Referenzkurve neu bestimmt werden, um zu gewährleisten, daß im Verlauf der Zeit keine Änderun gen der physikalischen Eigenschaften des Sensors 90 aufge treten sind. Die Entscheidung, eine neue Kurve für den Refe renzzustand zu bestimmen, wird in Schritt 214 eingegeben. Diese Entscheidung kann durch eine Benutzerauswahl über eine Eingabevorrichtung 134 oder durch den Prozessor 102 basie rend auf einem Zeitgeber oder einem gewünschten Diagnoseal gorithmus getroffen werden. Wenn in Schritt 212 eine neue Referenzkurve erstellt werden soll, kehrt der Prozessor 102 zu Schritt 202 zurück. Ansonsten kehrt der Prozessor 102 zu Schritt 208 zurück und fährt mit der Überwachung von V_A und V_B fort.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittansicht einer mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Interferometersen sorendes 302 verbundenen Lichtleitfaser 300. Licht von dar Lichtquelle 110 wird in die Lichtleitfaser 309 eingeleitet. Die Faser 304 leitet das Licht in die durch den Pfeil 310 angezeigte Richtung zu einem Lichtleitfaser-Optokoppler. Das Sensorende 302 ist am distalen Ende der Faser 300 angeordnet und weist reflektierende Flächen 312 und 314 auf, die von einander getrennt sind und zwischen denen ein Interferenz hohlraum 316 definiert ist. Bei einer Ausführungsform wird die reflektierende Fläche 312 durch die distale Fläche der Faser 300 gebildet. Die Fläche 314 wird dem Umgebungszustand "EC", z. B. einem Druck oder einer Temperatur, ausgesetzt, um die optische Weglänge des Hohlraums 316 zu beeinflussen. Die Faser 300 lenkt dann das reflektierte Licht zum Koppler 308 zurück, und der Koppler 308 läßt einen Teil dieses reflek tierten Lichts zur Faser 306 durch. Die Faser 306 lenkt re flektiertes Licht von den Flächen 312 und 314 in die durch den Pfeil 318 angezeigte Richtung zu einem Erfassungsab schnitt 320 des Interferometers hin, wie in Fig. 7 darge stellt.

Fig. 7 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen des Erfassungsabschnitts 320. Die Lichtleitfaser 306 lenkt Licht durch eine Kollimationslinse 322 zu einem Beugungsgit ter 324 hin. Vom Beugungsgitter 324 wird Licht zur Detektor anordnung 326 gelenkt. Zwischen der Lichtleitfaser 306 und der Detektoranordnung 326 können weitere optische Elemente (z. B. ein Spiegel und/oder Linsen) angeordnet sein. Das Aus gangssignal der Detektoranordnung 226 wird einem Prozessor oder einer ähnlichen Einrichtung zur Analyse zugeführt, wie vorstehend unter Bezug auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben wurde.

Fig. 8-13 zeigen vier besondere Ausführungsformen des Sensorendes 350, die zur Verwendung in den vorstehend unter Bezug auf Fig. 6 und 7 beschriebenen Ausführungsformen der Lichtleitfasern geeignet sind. In den Fig. 8-10 werden für gleiche oder ähnliche Elemente die gleichen Be zugszeichen verwendet. In Fig. 8 ist ein Sensorende 350 so konfiguriert, daß ein Brechungsindex gemessen werden kann. Die Wände des Sensorendes 350 werden durch eine Glaskapilla re 352 gebildet, die das distale Ende der Lichtleitfaser 300 und einen Reflektor 354 umgibt, die an Verbindungsbereichen 356 bzw. 358 gesichert sind. Die reflektierende Fläche 360 wird durch das distale Ende der Faser 300 gebildet, und die reflektierende Fläche 362 wird durch das Ende des Reflektors 354 gebildet. Die Kapillare 352 weist eine Fluidöffnung 364 auf, um einen Weg zum Einleiten eines zu messenden Fluids in den Interferenzhohlraum 366 bereitzustellen. Unterschiede zwischen dem Brechungsindex des Fluids im Hohlraum 366 und einem Referenzfluid führen zu einer Verschiebung im Interfe renzspektrum des entlang der Faser 300 zurücklaufenden Lichts. Dieser Brechungsindexunterschied kann Änderungen in der Zusammensetzung, Konzentration und oder andere Modifika tionen der Flüssigkeit widerspiegeln.

In Fig. 9 dient das Sensorende 350 zum Erfassen einer Temperatur T, die mit einem durch einen Metalldraht 370 dar gestellten wärmeleitfähigen Element thermisch gekoppelt ist. Der Metalldraht 370 weist eine Endfläche auf, die die op tisch reflektierende Fläche 362 bildet. Bei Änderungen der Temperatur T ändert sich die Länge des Drahtes 370 durch Wärmedehnung/-kontraktion, wodurch sich die Länge des Inter ferenzhohlraums 366 zwischen dem Draht 370 und der Faser 300 ändert. Daher ist der Sensor von Fig. 9 als Temperaturfühler geeignet.

In Fig. 10 dient das Sensorende 350 zum Erfassen eines Drucks P, der mit der reflektierenden Fläche 362 pneumatisch gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die reflektie rende Fläche 362 auf einem reflektierenden Diaphragma 372 angeordnet. Die reflektierende Fläche 360 ist am Ende der Faser 300 angeordnet. Bei Änderungen des Drucks P wird das Diaphragma 372 verformt und eine Änderung der Länge des Hohlraums 366 zwischen dem Diaphragma 372 und der Faser 300 verursacht.

In Fig. 11 weist das Sensorende 350 eine Faser 380 auf, die eine der reflektierenden Fläche 360 gegenüberliegende reflektierende Fläche 382 bildet. Ein Rohr 384 verbindet die Faser 300 mit der Faser 380. Das Rohr 384 ist in ein Materi al 386 eingebettet, das einer Belastung ausgesetzt ist. Bei einer Belastungsänderung im Material 386 verändert sich der Abstand zwischen den Flächen 360 und 362. Das Sensorende 350 in Fig. 11 ist daher zum Messen von Belastungen geeignet. Belastungen können gemessen werden, um mechanische Eigen schaften, z. B. Bruchzähigkeit und Ermüdungserscheinungen, zu bestimmen. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kön nen auch andere Sensorstrukturen verwendet werden.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Darstellung und sollen die Erfindung nicht einschränken. Außerdem wurde die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, wobei für Fachleute ersichtlich ist, daß innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung Änderung in Form und Detail vorgenom men werden können.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Änderung eines vorliegenden Umgebungszustands bezüglich eines Referenz- Umgebungszustands, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Betreiben eines optischen Interferometers unter dem vorliegenden Umgebungszustand, um ein optisches In terferenzspektrum zu erzeugen;
Messen von Intensitäten des Interferenzspektrums bei einer ersten und bei einer zweiten Wellenlänge, wo bei die erste und die zweite Wellenlänge einer ersten und einer zweiten Referenzintensität entsprechen, die auf jeweils einer Seite eines Extremums im Interferenz spektrum liegen, wenn das Interferometer unter dem Re ferenzzustand betrieben wird; und
Messen der Änderung des vorliegenden Umgebungszu stands basierend auf den gemessenen Intensitäten und auf der ersten und der zweiten Referenzintensität.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Messen der Änderung des vorliegenden Umgebungszustands das Messen der Änderung des vorliegenden Umgebungszustands basierend auf den gemessenen Intensitäten nur bei der ersten und der zweiten Wellenlänge aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt zum Messen der Intensitäten des Interferenzspektrums das Messen der Intensitäten nur bei der ersten und bei der zweiten Wellenlänge aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt zum Messen der Änderung des vorliegenden Umge bungszustands das Vergleichen eines Unterschieds zwi schen den gemessenen Intensitäten bei der ersten und bei der zweiten Wellenlänge mit einem Unterschied zwi schen der ersten und der zweiten Referenzintensität aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit dem Schritt:
Erzeugen von Spannungen, die die Intensitäten des Interferenzspektrums bei der ersten und bei der zweiten Wellenlänge darstellen;
wobei das Messen der Intensitäten das Messen von Größen der die Intensitäten darstellenden Spannungen aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit dem Schritt zum Korrelieren der gemessenen Intensitäten mit bekannten Werten des vorliegenden Umgebungszu stands, um eine Korrelationsbeziehung zu erhalten, und wobei der Schritt zum Messen der Änderungen des vorlie genden Umgebungszustands das Messen eines Wertes des vorliegenden Umgebungszustands unter Verwendung der Korrelationsbeziehung aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste und die zweite Wellenlänge so ausgewählt werden, daß die erste und die zweite Referenzintensität etwa bei Extremwerten der Steigung der Intensität als Funk tion der Wellenlänge im Interferenzspektrum liegen, wenn das Interferometer unter dem Referenzzustand be trieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit der Schritten:
Betreiben des Interferometers unter dem Referenz- Umgebungszustand;
Messen der Intensität als Funktion der Wellenlänge im Interferenzspektrum unter dem Referenz-Umgebungszu stand;
Auswählen der ersten und der zweiten Wellenlänge so, daß die Intensitäten im Interferenzspektrum bei der ersten und bei der zweiten Wellenlänge unter dem Refe renz-Umgebungszustand auf jeweils einer Seite des Ex tremums im Interferenzspektrum liegen; und
Speichern der gemessenen Intensitäten bei der er sten und bei der zweiten Wellenlänge unter dem Refe renz-Umgebungszustand als erste bzw. zweite Referenzin tensität.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Referenz- Umgebungszustand innerhalb eines Bereichs von Erwar tungswerten für den vorliegenden Umgebungszustand liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Schritt zum Betreiben eines Interferometers unter dem vorliegenden Umgebungszustand ein verformbares Dia phragma einem Druckzustand ausgesetzt wird, wobei das verformbare Diaphragma einen Teil einer reflektierenden Fläche des Interferometers bildet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei im Schritt zum Betreiben eines Interferometers unter dem vorliegenden Umgebungszustand ein Draht einem Tempera turzustand ausgesetzt wird, wobei der Draht mit einem Teil eines Interferenzhohlraums des Interferometers be trieblich gekoppelt ist, so daß durch Änderungen der Drahtlänge die Abmessungen des Interferenzhohlraums ge ändert werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das optische Interferometer gegenüberliegende reflektieren de Flächen aufweist, und wobei der Schritt zum Betrei ben des Interferometers unter dem vorliegenden Umge bungszustand das Befestigen eines Teils des Interfero meters an einem Material aufweist, das Belastungen aus gesetzt ist, so daß durch Belastungsänderungen des Ma terials ein Abstand zwischen den reflektierenden Flä chen und die Intensitäten des Interferenzspektrums bei der ersten und bei der zweiten Wellenlänge verändert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das optische Interferometer einen Interferenzhohlraum auf weist, und wobei der Schritt zum Betreiben des Inter ferometers unter dem vorlegenden Umgebungszustand das Einleiten eines Fluids mit einem Brechungsindex in die sen Interferenzhohlraum aufweist, so daß durch Änderun gen des Brechungsindex die Intensitäten des Interfe renzspektrums bei der ersten und bei der zweiten Wel lenlänge verändert werden.

14. Sensor zum Messen einer Änderung eines Umgebungszu stands, wobei der Sensor aufweist:
optische Elemente, die einen optischen Weg defi nieren und mit dem Umgebungszustand betrieblich gekop pelt sind, wenn der Sensor dem Umgebungszustand ausge setzt ist;
eine mit dem optischen Weg optisch gekoppelte po lychromatische Lichtquelle;
ein mit dem optischen Weg optisch gekoppeltes spektrales Element, durch das vom optischen Weg empfan genes Licht als Funktion der Wellenlänge räumlich zer legt wird;
ein erstes und ein zweites lichtempfindliches Ele ment, die mit dem spektralen Element optisch gekoppelt und so angeordnet sind, daß sie Licht vom spektralen Element in einem ersten und einem zweiten ausgewählten Wellenlängenbereich empfangen, wobei das erste und das zweite lichtempfindliche Element Ausgangssignale erzeu gen, die die Lichtintensität innerhalb des ersten und des zweiten Wellenlängenbereichs darstellen; und
eine Einrichtung zum Messen der Änderung des Umge bungszustands basierend auf den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten lichtempfindlichen Elements und basierend auf einem ersten und einem zweiten Referenz wert, die Lichtintensitäten im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich darstellen, wenn der Sensor einem Referenz-Umgebungszustand ausgesetzt ist.

15. Sensor nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Referenzwert Lichtintensitäten auf jeder Seite eines einzelnen Extremums in der Intensität als Funktion der Wellenlänge des durch das spektrale Element räumlich zerlegten Lichts darstellen.

16. Sensor nach Anspruch 15, wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich so ausgewählt werden, daß der erste und der zweite Referenzwert lokalen Extrema der Stei gung der Intensität als Funktion der Wellenlänge ent sprechen, wenn der Sensor dem Referenz-Umgebungszustand ausgesetzt ist.

17. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Lichtquelle eine weiße Lichtquelle ist.

18. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Meßeinrichtung die Änderung des Umgebungszustands ba sierend auf einem Unterschied in den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten lichtempfindlichen Elements bezüglich eines Unterschieds im ersten und im zweiten Referenzwert mißt.

19. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, ferner mit einer Einrichtung zum Speichern des ersten und des zweiten Referenzwertes.

20. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das spektrale Element ein Beugungsgitter aufweist.

21. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 20, ferner mit einer linearen ladungsgekoppelten Schaltungs(CCD) anordnung, wobei das erste und das zweite lichtemp findliche Element durch zwei Elemente der linearen CCD-Anordnung gebildet werden.

22. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 21, ferner mit einem Druckeingang, der mit der ersten reflektierenden Fläche pneumatisch gekoppelt ist, wobei sich die erste reflektierende Fläche als Reaktion auf den Druck be wegt.

23. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 22, ferner mit einem Temperatureingang, der mit der ersten reflektie renden Fläche thermisch gekoppelt ist, wobei die erste reflektierende Fläche sich in Antwort auf die Tempera tur bewegt.

24. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 23, ferner mit einem Belastungseingang, der mit der ersten reflektie renden Fläche betrieblich gekoppelt ist, wobei die er ste reflektierende Fläche sich in Antwort auf die Bela stung bewegt.

25. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 24, ferner mit einer Fluidöffnung zum Aufnehmen eines Fluids zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Fläche, wo bei Änderungen eines Brechungsindex des Fluids eine Verschiebung in einem Interferenzspektrum des zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Fläche re flektierenden Lichts verursachen.

26. Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors zum Messen von Änderungen eines Umgebungszustands, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Auswählen eines Erwartungswertes des Umgebungszu stands als Referenzzustand;
Betreiben eines polychromatischen Interferometers unter dem Referenzzustand, um ein Interferenzmuster be züglich einer Intensität als Funktion der Wellenlänge zu erhalten;
Auswählen zweier Wellenlängen, wobei jede Wellen länge auf jeweils einer Seite eines lokalen Extremums der Intensität als Funktion der Wellenlänge angeordnet ist;
Speichern einer Darstellung der Intensität des In terferenzmusters bei den beiden ausgewählten Wellenlän gen.