DE19960370C2 - Optischer Temperatursensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einem optischen Resonator, der mit einem oder mehreren Lichtwellenleitern in Verbindung steht sowie einem Temperatursensor mit einem optischen Resonator.

Eine ganze Reihe von unterschiedlichen Temperatursensoren sind bekannt und finden zum Teil breite Anwendung. So zum Beispiel Thermowiderstände, bei denen ein temperaturabhängiger ohmscher Widerstand zur Temperaturbe­ stimmung verwendet wird, oder Thermoelemente, die aus zwei unterschied­ lichen Metallen bestehen, deren Kontaktspannung temperaturabhängig ist. Die vorbekannten Temperatursensoren haben den Nachteil, daß sie in Umgebun­ gen mit starken elektromagnetischen Störfeldern nicht zuverlässig arbeiten. Zu­ dem können die Meßwerte durch die elektrischen Eigenschaften der Zuleitun­ gen verfälscht werden.

Die DE 197 38 651 A1 offenbart einen faseroptischen Temperatursensor, bei dem die optische Faser zwischen zwei Folien eingebettet ist. Bei der Temperatur­ messung wird die Temperaturabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Glas ausgenutzt. Der eigentliche Thermosensor ist hier also die Glasfaser selber. Der vorbekannte Temperatursensor ist geeignet für die Messung der Oberflächentemperatur eines Objektes. Der Sensor verfügt über eine mehrere Quadratzentimeter große Meßfläche, über welche die Oberflächentemperatur gemittelt wird. Dadurch wird die Verwendbarkeit des vorbekannten Temperatur­ sensors auf die großflächige Messung von Oberflächentemperaturen einge­ schränkt.

Aus der DE 40 34 237 A1 ist ein Verfahren zur Temperaturmessung mittels eines optischen Resonators bekannt, bei dem das Licht eines Pumplasers über einen Wellenleiter in einen als Temperatursensor verwendeten monolytischen Festkörperlaser eingekoppelt wird. Das Meßprinzip beruht bei dem vorbekannten Verfahren auf der Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der in dem Resonator erzeugten Laserstrahlung. Diese Temperaturabhängigkeit beruht auf der thermischen Ausdehnung des monolytischen Festkörperlasers. Zur Bestimmung des Temperaturwertes wird bei dem vorbekannten Verfahren der von dem optischen Resonator emittierten Strahlung das Licht eines frequenzstabilisierten Referenzlasers überlagert. Die dabei entstehenden Schwebungen werden mittels einer Hochfrequenzanalyse ausgewertet und in einen Temperaturwert umgerechnet. Die Haupnachteile dieses vorbekannten Temperaturmeßverfahrens beruhen wesentlich auf der Verwendung des monolytischen Festkörperlasers als Temperatursensor. Zum einen macht das vorbekannte Verfahren eine sehr aufwendige Anordnung von optischen Komponenten nötig, die insbesondere aus wenigstens drei Lasern besteht. Dies sind der Pumplaser, das laseraktive Sensorelement sowie der für die Hochfrequenzanalyse benötigte frequenzstabilisierte Referenzlaser. Dabei ist insbesondere die zuletzt genannte Komponente ein extrem teures und aufwendiges Element. Nachteilig ist ferner, daß das vorbekannte Verfahren nur in einem äußerst eingeschränkten Temperaturbereich einsetzbar ist, da die Erzeugung von Laserstrahlung in dem als Sensorelement verwendeten Festkörperlaser nur unwesentlich oberhalb von Raumtemperatur möglich ist. Bei höheren Temperaturen läßt sich nämlich die für den Lasereffekt notwendige Inversion der elektronischen Energieniveaus nicht mehr aufrechterhalten. Dadurch werden nachteiligerweise die Einsatzmöglichkeiten des Temperatursensors stark eingeschränkt.

Ein weiteres optisches Sensorelement für die Temperaturmessung ist aus der CH 679 427 A5 bekannt, wobei als Meßfühler ebenfalls ein optischer Resonator verwendet wird, der als Fabry-Perot Interferometer ausgebildet ist und aus zwei planparallelen Spiegeln aus mehrschichtig aufgebautem dielektrischen Material besteht. Insbesondere an die Präzision der Lichteinkopplung sind bei dem vorbekannten Temperatursensor nachteiligerweise hohe Anforderungen zu stellen, was die Praxistauglichkeit erheblich einschränkt. Neben dem aufwendigen Aufbau ist bei dem vorbekannten Temperatursensor außerdem die hohe Empfindlichkeit auf mechanische Umgebungseinflüsse nachteilig.

Die GB 21 61 931 A offenbart ein Verfahren zur Temperaturmessung, bei dem das Sensorelement als mechanischer Resonator ausgebildet ist. In diesem werden mit einem Lichtpuls mechanische Schwingungen angeregt, die ihrerseits das Licht zeitlich modulieren. Zur Temperaturbestimmung wird die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Resonators ausgenutzt. Dieses Verfahren hat nachteiligerweise ebenfalls nur eine sehr eingeschränkte Praxistauglichkeit. Nachteilig sind insbesondere die extrem aufwendige Herstellung des mechanischen Resonatorelements sowie dessen hohe Empfindlichkeit auf Umgebungseinflüsse.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile einen Temperatursensor mit optischem Resonator bereitzustellen, der einfach aufgebaut ist und mit kostengünstigen optischen Elementen eine robuste und praxistaugliche Temperaturmessung in einem großen Temperaturbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Temperatursensor mit einem optischen Resonator, der mit einem oder mehreren Lichtwellenleitern in Verbindung steht dadurch gelöst, daß der optische Resonator ein Mikropartikel ist, wobei über die Enden der Lichtwellenleiter, die zu dünnen Spitzen ausgeformt sind, einerseits das Licht einer Laserdiode in den Mikropartikel eingekoppelt wird und andererseits zur Auswertung mittels eines optischen Spektrometers das Licht aus dem Mikropartikel ausgekoppelt wird.

In dem erfindungsgemäßen Mikropartikel entstehen optische Resonanzen bei Lichtwellenlängen, die von seiner geometrischen Form, seinem Brechungsindex und seinen Abmessungen abhängen. Dabei wird das Licht an der inneren Oberfläche des Mikropartikels mehrfach total-reflektiert. Kommt es bei dieser Vielfachreflexion zu einer phasenrichtigen Überlagerung der Wellenzüge des elektromagnetischen Feldes, so spricht man von optischer Resonanz. Hierbei entsteht eine Überhöhung der elektromagnetischen Feldamplitude im Inneren des Mikropartikels. Bei der Totalreflexion, die beim Übergang vom optisch dichteren Medium des Mikropartikels zur optisch dünneren Umgebung stattfindet, sind die Verluste gering, so daß sich auf diese Weise ein Resonator mit besonders hoher Güte realisieren läßt. Dies führt zur Ausbildung von ausgeprägten, schmalbandigen Resonanzen bei charakteristischen Wellenlängen.

Bedingt durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem der erfindungsgemäße Mikropartikel gefertigt wird, hängen die Resonanz­ eigenschaften des optischen Resonators von der Temperatur der Umgebung ab, in der er sich befindet. Die Temperatur des Resonators ändert sowohl dessen Größe als auch dessen Brechungsindex. Die Resonanzeigenschaften des Resonators werden dadurch in einem durch die Wahl des Resonatormaterials und der Resonatorgröße und -form vorbestimmbaren Weise verändert.

Für die Anregung der Resonanzen wird gemäß der Erfindung das Licht einer Laserdiode verwendet. Diese hat den Vorteil, daß sie als preiswertes Bauteil frei im Handel verfügbar ist und daß sich durch sie eine geeignete breitbandige kohärente Anregungsstrahlung erzeugen läßt.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Mikropartikels als Temperatursensor ist in der Praxis nur dann möglich, wenn die Lichtübertragung zum Resonator störsicher ist, und die Lichteinkopplung in den Resonator gleichzeitig mit gerin­ gen Verlusten erfolgt. Diese Anforderungen werden durch die Verwendung von Lichtwellenleitern für die Übertragung des Lichtes erfüllt. Gleichzeitig gestatten die flexiblen optischen Fasern, den Temperatursensor an schwer zugängliche Orte zu verbringen.

Zur Messung der Temperatur ist es notwendig, die Wellenlängen der ange­ regten Resonanzen zu bestimmen. Hierzu wird das Licht wiederum mittels eines Lichtwellenleiters aus dem optischen Resonator ausgekoppelt und einem geeig­ neten Spektrometer zugeführt.

Mikropartikel, die für die Verwendung als Temperatursensor gemäß der Erfin­ dung geeignet sind, haben Durchmesser von 100 Mikrometern und weniger. Zur Lichtein- bzw. auskopplung sind handelsübliche Lichtleiterfasern mit einem Durchmesser von 80 bis 125 Mikrometer ungeeignet. Aus diesem Grunde werden die mit dem optischen Resonator in Verbindung stehenden Enden der Lichtwellenleiter zu dünnen Spitzen geformt, so daß sich die Fasern bis auf we­ nige Mikrometer verjüngen. In Experimenten hat sich gezeigt, daß die genann­ ten Faserspitzen über eine ideale Abstrahlcharakteristik für die Lichteinkopplung in den optischen Resonator verfügen. Entsprechendes gilt natürlich auch bei der Lichtauskopplung, die zur spektroskopischen Untersuchung der Resonanzen nötig ist. Die geringen Abmessungen des erfindungsgemäßen Mikropartikels in Verbindung mit den genannten vorteilhaften Eigenschaften der verwendeten Lichtwellenleiter führt dazu, daß der Temperatursensor in besonders hohem Maße der zugrundeliegenden Aufgabenstellung gerecht wird.

Zweckmäßigerweise wird der Mikroresonator aus einem UV-härtenden Poly­ merwerkstoff hergestellt. Dabei wird zunächst ein fluides Ausgangsmaterial, dessen Viskosität durch den Zusatz von leichtflüchtigem Lösungsmittel herab­ gesetzt sein kann, zu feinen Tröpfchen zerstäubt. Durch UV-Bestrahlung wird eine schnelle Polymerisationsreaktion initiiert, wodurch die Tröpfchen innerhalb kürzester Zeit zu den gewünschten Photopolymer-Mikropartikeln aushärten. Die nach diesem Verfahren hergestellten Mikropartikel haben eine beinahe ideale sphärische Form mit Durchmessern im Bereich von 10 bis 100 Mikrometern. Des weiteren hat der Photopolymerwerkstoff für die Verwendung als Mikroreso­ nator ideale optische Eigenschaften. Das Material ist homogen und transparent, was eine wichtige Voraussetzung für einen Resonator hoher Güte ist. Der Brechungsindex liegt zwischen 1,5 und 1,6. Somit läßt sich ohne Probleme Totalreflexion an der inneren Oberfläche der Mikropartikel erreichen.

Soll der Temperatursensor zur Messung von Temperaturen von mehreren hundert Grad verwendet werden, so ist das zuvor genannten Photopolymer un­ geeignet. In diesem Fall sollten zweckmäßigerweise Mikropartikel aus hochtemperaturfesten optischen Materialien wie zum Beispiel Quarzglas verwendet werden. Dieses Material weist ebenfalls einen hohen Brechungsindex auf und hält ohne weiteres Temperaturen bis zu 900°C stand.

Wie zuvor beschrieben, werden zur Temperaturmessung die Wellenlängen der auftretenden optischen Resonanzen ermittelt. Um eine bestimmte Resonanz an­ regen zu können, muß zunächst Licht der entsprechenden Wellenlänge erzeugt werden. Dies kann entweder durch die Laserdiode geschehen, deren Emis­ sionsspektrum geeignete Wellenlängen enthält, oder durch Fluoreszenzlicht, das erst im Mikropartikel entsteht. Hierzu ist das Ausgangsmaterial des Mikropartikels mit fluoreszierendem Farbstoff zu dotieren. Durch die Laserdiode wird der Farbstoff zur Fluoreszenz angeregt. Das breite Fluoreszensspektrum des Farbstoffes ist dazu in der Lage, optische Resonanzen im Mikropartikel anzuregen. Diese können dann mittels des optischen Spektrometers detektiert werden. In der Praxis kommen die gängigen Fluoreszenzfarbstoffe in Frage. Deren begrenzte Lebensdauer ist allerdings von Nachteil. Die Verwendung von seltenen Erden, wie z. B. Neodym, wie es in Festkörperlasern verwendet wird, stellt eine Alternative dar.

Bei der Fertigung des erfindungsgemäßen Temperatursensors ergibt sich das Problem, daß der Mikroresonator mit den Lichtwellenleitern verbunden werden muß, ohne dabei die Resonanzeigenschaften wesentlich zu verschlechtern. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, hierfür einen Photopolymer-Klebstoff zu ver­ wenden. Es handelt sich um ein ähnliches Material, wie es auch, wie zuvor be­ schrieben, für die Herstellung des Mikropartikels verwendet werden kann. Zu­ nächst werden die Spitzenenden der Lichtwellenleiter an dem Mikropartikel in die gewünschte Position gebracht. Die Verbindungsstellen werden mit dem flüssigen Photopolymer benetzt und durch UV-Bestrahlung ausgehärtet. Es ist vorteilhaft, für den Klebstoff ein Photopolymer auszuwählen, dessen Berechnungsindex kleiner ist, als derjenige des optischen Resonators. Dies ist Voraussetzung dafür, daß Totalreflexion im Inneren des Mikropartikels stattfinden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Resonator ist es für den praktischen Einsatz als Temperatursensor vorteilhaft, wenn sich die auftretenden optischen Resonanzen mittels des optischen Spektrometers problemlos auflösen und von­ einander trennen lassen. Bei der Verwendung von sichtbarem Licht zur An­ regung der Resonanzen ist dies gegeben, wenn der sphärische Mikropartikel einen Durchmesser von weniger als 100 Mikrometern hat.

Experimente haben gezeigt, daß durch tangentiale Lichteinkopplung am Umfangsrand der Kugel die optischen Resonanzen besonders effektiv angeregt werden können.

Für die eigentliche Temperaturmessung wird den Resonanzwellenlängen im optischen Spektrum eine Temperatur zugeordnet. Für sphärische Mikropartikel existiert zwar eine exakte Theorie, die gestatten würde, von dem optischen Spektrum auf den Partikeldurchmesser zurückzuschließen. In der Praxis hat es sich allerdings bewährt, für die Temperaturmessung eine Kalibrierung durchzu­ führen. Dabei wird das Resonanzspektrum des optischen Resonators bei ver­ schiedenen, genau bekannten Temperaturen aufgenommen. Die eigentliche Temperaturmessung mittels des erfindungsgemäßen Temperatursensors erfolgt dann durch Interpolation zwischen den für die Kalibrierung verwendeten Tempe­ raturwerten.

Es ist zweckmäßig, die Laserdiode so zu betreiben, daß das Anregungslicht eine spektrale Breite aufweist, die dem spektralen Abstand von Resonanzen gleicher Ordnung entspricht. Dies kann mir herkömmlichen Laserdioden erreicht werden, wenn sie unterhalb der Laserschwelle betrieben werden.

Da das Resonanzspektrum des optischen Resonators durch die Form des Mikropartikels bestimmt wird, reagiert der Temperatursensor äußerst empfind­ lich auf Krafteinwirkungen, die den Mikropartikel auch nur minimal verformen. Für den praktischen Einsatz als Temperatursensor unter rauhen Bedingungen ist es also zweckmäßig, den Mikropartikel in einer mechanisch stabilen Hülle anzuordnen. Hierzu eignet sich beispielsweise eine stabile Glaskapillare, die den Mikropartikel mitsamt den Lichtwellenleitern aufnimmt. Zur Wärmeleitung kann die Glaskapillare mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, deren Brechungs­ index kleiner sein muß derjenige des Mikropartikels.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung kann bei einem Temperatursensor mit einem optischen Resonator dadurch gelöst werden, daß der optische Resonator ein Mikropartikel ist, in den das Licht einer Laserdiode mittels einer Linse kontaktlos eingekoppelt wird, wobei das am Mikropartikel gestreute Licht mittels eines optischen Spektrometers ausgewertet wird.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Temperaturmessung berührungsfrei erfolgt. Dies kann insbesondere bei hochpräzisen Messungen wichtig sein, bei denen jede Wärmeleitung, die das Meßergebnis verfälschen würde, ausgeschlossen werden soll. Mittels einer Linse wird das Licht der Laserdiode so fokussiert, daß eine Resonanz im Mikropartikel angeregt werden kann. Das Streulicht wird isotrop in alle Raumrichtungen abgestrahlt und kann auf einfache Weise - ebenfalls kontaktlos - spektroskopiert werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Temperatursensoren werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Temperatursensors;

Fig. 2 kontaktloser Temperatursensor.

In der Fig. 1 wird das Licht einer Laserdiode 1 über einen Lichtwellenleiter 2, dessen Ende zu einer konischen Spitze 3 geformt ist, in einen sphärischen Mikropartikel 4 tangential eingekoppelt. Es bildet sich durch mehrfache Totalreflexion an der inneren Grenzfläche des Mikropartikels 4 eine Oberflächenresonanz aus, deren Strahlengang durch die gestrichelte Linie 5 angedeutet ist. Zur Auskopplung des Lichtes befindet sich an der gegenüberliegenden Seite des Mikropartikels 4 die Spitze 6 eines weiteren Lichtwellenleiters 7. Das ausgekoppelte Licht wird in einem optischen Spektrometer 8, das aus einem Beugungsgitter 9 und einer CCD-Kamera 10 besteht, spektroskopiert. Das Resonanzspektrum wird mittels einer Auswertungselektronik 11 in einen Temperaturwert umgerechnet. Durch das gestrichelte Quadrat 12 wird angedeutet, daß die Faserspitzen 3 und 6 sowie der Mikropartikel 4 überproportional vergrößert dargestellt sind. Der Durchmesser des Mikropartikels 4 beträgt etwa 30 Mikrometer; die Faserspitzen 3 und 6 verjüngen sich bis auf etwa 1 Mikrometer.

Die Fig. 2 zeigt den Strahlengang 13 des von der Laserdiode 1 emittierten Lichtes, das durch eine Linse 14 auf den Mikropartikel 4 tangential fokussiert wird. Durch dieses Licht werden die temperaturabhängigen optischen Resonanzen angeregt. Das Streulicht 15 wird durch eine weitere Linse 16 auf das optische Spektrometer 8 abgebildet. Dieses besteht, wie zuvor, aus einem Beugungsgitter 9 und der CCD-Kamera 10. Das gemessene Spektrum wird durch eine Auswertungselektronik 11 in einen Temperaturwert umgerechnet.

Claims (12)

1. Temperatursensor mit einem optischen Resonator, der mit einem oder mehreren Lichtwellenleitern (2, 7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator ein Mikropartikel (4) ist, wobei über die Enden der Lichtwellenleiter (2, 7), die zu dünnen Spitzen (3, 6) ausgeformt sind, einerseits das Licht einer Laserdiode (1) in den Mikropartikel (4) eingekoppelt wird und andererseits zur Auswertung mittels eines optischen Spektrometers (8) das Licht aus dem Mikropartikel (4) ausgekoppelt wird.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropartikel (4) aus einem Polymermaterial besteht, das unter UV-Licht aushärtet.

3. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropartikel (4) aus einem temperaturbeständigen Polymermaterial besteht.

4. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropartikel (4) aus Quarzglas besteht.

5. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial des Mikropartikels (4) mit fluoreszierendem Farbstoff dotiert ist.

6. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spitzen Enden (3, 6) der Lichtwellenleiter (2, 7) mit dem Mikropartikel (4) verklebt sind, wobei der Brechungsindex des Klebstoffes kleiner ist, als derjenige des Mikropartikels (4).

7. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropartikel (4) sphärisch ist und einen Durchmesser von weniger als 100 Mikrometer hat.

8. Temperatursensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht aus dem Wellenleiter (2) tangential in den sphärischen Mikropartikel eingekoppelt wird.

9. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels des optischen Spektrometers (8) ermittelten Resonanzwellenlängen durch eine Kalibrierung einem Temperaturwert zugeordnet werden.

10. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (1) so betrieben wird, daß sie Licht mit einer spektralen Breite emittiert, die etwa dem spektralen Abstand zweier Resonanzen gleicher Ordnung entspricht.

11. Temperatursensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikropartikel (4) in einer mechanisch stabilen Hülle angeordnet ist.

12. Temperatursensor mit einem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator ein Mikropartikel (4) ist, in den das Licht einer Laserdiode (1) mittels einer Linse (14) kontaktlos eingekoppelt wird, wobei das am Mikropartikel (4) gestreute Licht mittels eines optischen Spektrometers (8) ausgewertet wird.