DE2602691A1

DE2602691A1 - Vorrichung zur messung kleiner laengenaenderungen basierend auf der phasendrehung in optischen dielektrischen leitungen

Info

Publication number: DE2602691A1
Application number: DE19762602691
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dipl-Ing Caspers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-24
Filing date: 1976-01-24
Publication date: 1977-07-28

Description

Beschreibung
Titel:Vorrichtung zur Messung kleiner Längenänderungen basierend auf der Phasendrehung in optischen dielektrischen Leitungen.
Anwendungsgebiet:Die Vorrichtung kann auf den Gebieten angewendet werden,suf denen heute die bekannten Dehnungsmeßstreifen (DMS) eingesetzt werden.Darüber hinaus ergeben sich neue Anwendungsgebiete z.B. in der Hochspannungs- und Reaktortechnik.
Zweck:Durch die Erfindung soll eine Vorrichtung zur Messung kleiner Längenänderungen angegeben werden,die Nachteile der bekannten DMS vermeidet,da sie auf einem anderen physikalischen Effekt beruht.
Stand der Technik:Zur Messung kleiner statischer oder dynamischer Längenänderungen verwendet man heute vorwiegend Draht- oder Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen. Diese Vorrichtungen nutzen den physikalischen Effekt aus,daß der Widerstand eines elektrischen Leiters von seiner mechanischen Belastung abhängt.Die Technik der DOSIS ist hoch entwickelt,dennoch bleiben einige grundsätzliche Probleme bestehen,viie z.B. Anderung des DMS-Widerstandes mit der Temperatur,Nichtlinearität der Widerstand-Dehnungskennlinie,Einflüsse von Störspannungen,Leitungswiderständen und mangelhafter Isolation-euf das Meßergebnis.
Technische Aufgabe:Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung kleiner Längenänderungen zu entwickeln, die die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermeidet und auch für Sonderanwendungen brauchbar ist.
Lösung:Die Erfindung nutzt den physikalischen Effekt aus,daß die Phasendrehung einer von einer dielektrischen Leitung geführten optischen Welle linear von der Dehnung der Leitung in Längsrichtung abhängt (Electron. Letters 10(1974), 21-22). Die dielektrische Leitung kann eine Glasfasserleitung oder auch Streifenleitung in der Technik der integrierten Optik sein. Die Leitung ist zweckmäßig, jedoch mnicht notwendig so zu dimensionieren, daß nur die Grundwelle ausbreitungsfähig ist. Bei dynamischen Messungen kann die in der Phasenmodulation des optischen Trägers enthaltene Information über den Momentanwert cer Dehnung durch Frequenzdemodulation und anschließende Integration in eine elektrische Spannung umgesetzt werden. Bei statisch-dynamischen Messungen muiS ein fhasendemodulator verwendet werdendem neben dem meßsignal ein nicht moduliertes Referenzsignal zugeführt wird.
Dazu wird die von einem optischen Sender(zweckmäßig, aber nicht notwendigerweise ein Laser) agegebene, möglichst monochromatische Lichtwelle mit einem Leistungsteiler auf zv:ei Yan;ile aufgeteilt(Bild 1). Des Referenzsignal erreicht den Phasendetektor direkt,das Meßsignal dagegen über die Meßstrecke, d.h. das Stück optischer dielektrischer Leitung, das der Dehnung unterworfen wird. das Referenzsignal wird zweckmäßig durch eine Glasfaserleitung übertragen, damit keine unerwünschte Phasenmodulation auftritt. aus dem gleichen Grunde sollte auch das Meßsignal durch eine optische Leitung geführt werden. Meß- und Referenzleitung hoben zweckmäßig die gleiche Länge und werden zur Kompensation von Temperatureinflüssen dicht nebeneinander vorlegt.
Der einfachste opto-elektrische Phasendetektor ist eine Halbleiterphotodiode, auf deren lichtempfindliche Fläche sowohl die Meßwelle wie die Referenzwelle fokussiert verden.
ei gleicher Leistung der beiden ellen ist der Photostrom proportional cos²(γ/2), wobei γ die Phasendifferenz zwischen den beiden hellen ist. Wählt man die L.gC des Referenzkannls so, daß bei nicht gedehnter Meßstrecke die Phasendifferenz γ = #/2 ist, so ist bei kleinem Phasenhub #γ ## 1 der Photostrom annähernd linear von der Dehnung abhängig.
Ein Phasendetektor, der auch bei großen Werten des Phasenhubs eine lineare Kennlinie besitzt, lässt sich durch ein Kompensationsverfahren realisier. Dazu wird nach Bild 2 in den Referenzkanal ein Phasenmodulator mit linearer Kennlinie geschltet, der über einen Regelverstärker von dem mit einem Soll-vert verglichenen Ausgangssignal des Phasendetektors angesteuert wird.
Der Regelkreis zieht das Aufgangssignal a@ Phasendetektors auf den Sollwert, d.h. die Phasendifferenz # zwischen Meß- und Referenzsignal ist konstant. Die Phasendreh @g durch den Phasenmodulator ist damit gleich dor Phasendrehung durch die Dehnung der Meßstrecke. Da die Kennlinie von Meßstrecke und Phasenmodulator als linear vorausgesetzt waren,ist die Steuerspannung des Phasenmodulators proportional der Dehnung acr Meßstrecke und kann daher als Austangssignal verwendet werden.
Als lineare Phasenmodulatoren kommen elektrooptische Modulatoren in Frage oder solche,die nach dem gleichen Prinzip wie die Meßstrecke arbeiten. Dazu verbindet man eine optische dielektrische Leitung mechanisch mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Korper, der unter dem Einfluß eines elektrischen(elektrisen-magnetischen) Steuersignals seine Länge andert.
weitere Ausgestaltung der vrfinaung:Zur Vergrößerung der Phasenänderung bei gegebener Dehnung kann die optische dielektrische Leitung mäanderförmig in einer Trägerfolie eingebettet werden.
Erzielbare Vor-teile:Die wesentlichen Vorteile der beschricbenen Erfindung beruhen darauf, daß zur Übertragung der Meßinformation zwischen Meßstelle und Meßwarte dielektrische Leitungen an Stelle metallischer Leitungen verwendet werden.
Glasfaserleitungen lassen sich bereits mit sehr geringer Dämpfung(bis 1 dB/km) herstellen.Meßstelle und Meßwarte können daher mehrere Kilometer voneinander entfernt sein.Die Bandbreite der Leitung ist sehr groß, einwellige Fasern in Verbindung mit Halbleiterinjektionslasern erreichen Bandbreiten von mehreren Gigahertz.Die Lichtübertragung wird durch elektrische und magnetische Störfelder nicht beeinflusst.Da die Leitungen kein Metall enthalten,kann sich die Meßstelle auch auf sehr hohem Potential befinden(Anwendungen in der Hochspannungstechnik).
Die übertragenen Lichtleistungen liegen unter ein Milliwat.
Die Vorrichtung lässt sich daher auch in explosionsgefährdeter Umgebung anwenden. Glasfaserdehnungsaufnehmer sind gut einsetzbar in elektrisch gestörter und kernstrahlungsmäßig stark belasteter Umgebung(Reaktortechnik),weil die Fasern selbst recht unempfindlich gegen ionisierende Strahlung sind (Eingenleuchten kann optischh herausgefiltert werden) und elektronische Bauelemente (Differenzverstärker etc) in ungestörtes Umgebung untergebracht werden können.

Claims

Patentansprüche 1.Vorrichtung zur Messung kleiner Längenänderungen dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Länge einer optischen dielektrischen Leitung eine Änderung des Phasenwinkels einer geführt übertragenen elektromagnetischen Welle bewirkt und daß diese Phasenänderung durch einen Frequenz- oder Phasendemodulator in eine elektrische Spannung umgeformt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die optische dielektrische Leitung eine Glasfaserleitung oder eine Streifenleitung in der Technik der interrierten Optik ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwelle außerhalb der eigentlichen Meßstrecke und die Referenzwelle durch Glasfaserleitungen geführt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasendemodulation eine Kompensationsschaltung aus rihasendetektor, Komparator, Regelverstärker und linear steuerbarem Phasenmodulator verwendet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die optische dielektrische Leitung zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit mäanderförmig in eine Trägerfolie eingebettet ist.