DE2816682A1

DE2816682A1 - Anordnung zur erfassung des einflusses physikalischer groessen auf die laenge eines weges

Info

Publication number: DE2816682A1
Application number: DE19782816682
Authority: DE
Inventors: Mark Dr Johnson; Reinhard Dr Ulrich
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1978-04-18
Filing date: 1978-04-18
Publication date: 1979-12-20
Also published as: DE2816682C2; US4269506A

Description

14.4.1978 P 7842

Anmelder:"Max-Planck-Gesellschaft

zur Förderung der Wissenschaften e.V·. Bunsenstraße

ANORDNUNG ZUR ERFASSUNG DES EINFLUSSES PHYSIKALISCHER GROSSEN AUF DIE LÄNGE EINES WEGES.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung des Einflusses physikalischer Größen wie Druck,Umgebungstemperatur ,Schub-oder Zugkräfte oder dergleichen auf die Länge eines Weges,mit einer auf die Weglängenänderung ansprechenden optischen Längen-Meßeinrichtung,mit der ein mindestens für die Weglängenänderung charakteristisches elektrisches Anzeigesignal erzeugbar ist.

Es ist bekannt,Änderungen physikalischer Größen,die auf Änderungen optischer Weglängen abbildbar sind,was in vielen Fällen gleichbedeutend mit der Änderung einer mechanischen Weglänge ist,dadurch zu erfassen,daß man diese Weglängen änderungen mit Hilfe eines Interferometers mißt(Luger,Lexikon der-Technik,Rowohlt,1972,Bd.26,S.479).Eine zur Erfassung von Änderungen hoher Temperaturen geeignete,mit einem michelson-interferometer arbeitende Anordnung der eingangs genannten Art kann dann beispielsweise so aufgebaut sein,daß der bewegliche Spiegel des Interferometers am freien Ende eines an seinem anderen Ende fest eingespannten Stabes,dessen Temperatur-Ausdehnungskoeffizient bekannt ist,angeordnet ist, sodaß man aus einer Längenänderung des Stabes direkt a"uf die damit korrelierte Temperaturänderung schließen kann.Die Zahl der im Verlauf einer Temperaturänderung von T. auf T_? nacheinander auftretenden Ausgangsimpulse eines am Interferenzort aufgestellten Empfängers,der jeweils bei konstruktiver

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Interferenz einen Ausgangsimpuls erzeugtest dann direkt ein Maß für die Temperatur und kann mittels eines elektronischen Zählers erfaßt und in geeigneter Form digital oder analog dargestellt werden.Zwar sind interferometrische Messungen sehr genau,da der absolute Meßfehler nur in der Größenordnung der" Wellenlänge des zur Messung benutzten kohärenten Lichtes liegt,dafür ist . . aber eine mit einem Interferometer als Meßeinrichtung versehene Anordnung der eingangs genannten Art mit gravierenden Nachteilen behaftet,die sie für zahlreiche Anwendungsfälle ungeeignet erscheinen läßt:

Zum einen ist bei interferometrischen Meßanordnungen der Meßbereich prinzipiell durch die Kohärenzlänge des verwendeten Meßlichts beschränkt.Zwar ist es mit Lasern durchaus möglich,im optischen Bereich Kohärenzlängen von mehreren km zu erzielen.Der hierfür erforderliche konstruktive Aufwand ist jedoch beträchtlich,und bei Verwendung eines üblichen Lasers als Lichtquelle liegt die Kohärenzlänge nur im m—Bereich(z.3.1 - 5m).

Für die Praxis bedeutet dies,daß man in vielen Fällen zwar die mit Änderungen einer bestimmten Größe ver knüpften Längenanderungen eines durch einen Körper markierten Weges sehr genau erfassen kann,nicht aber die mit einem bestimmten Wert dieser Größe verknüpfte Be zugslänge des der Längenänderung unterworfenen Körpers, sodaß letztlich der Absolutwert der geänderten Größe mit demjenigen Fehler behaftet ist,mit dem der Bezugswert durch andere,mit geringerer Genauigkeit durchführbare Messungen bestimmbar ist.

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feststellt und damit wieder einen' erheblich über dem fehler der interf'erometrischen Messung "liegenden Fehler impliziert.

Zum anderen ist es praktisch nicht möglich,Längenänderungeri, die längs eines gekrümmten Weges erfolgen zu erfassen,da man den Meßstrahlengang,der mindestens abschnittsweise geradli nige Lichtwege mit direktem,ungestörtem Sicht'konfcakt erfor dert,nicht mit hinreichender Genauigkeit an einen beliebigen Weg anpassen kann.Dies gilt auch für den Fall,daß man wie bei der Absolutmessung großer Entfernungen(z.B.der-Entfernung Erde-Mond)eine Laufzeitmeßeinrichtung verwendet,um aus der Laufzeit von Lichtimpulsen zwischen Anfang und Ende eines Weges dessen Länge zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben,mit der entlang eines beliebigen Weges sowohl Änderungen einer mit einer bestimmten physikalischen Einflußgröße verknüpften Länge als auch die Länge selbst mic äner für eine Hinreichend genaue Erfassung dieser Einflußgröße ausreichenden Genauigkeit meßbar sind, wobei diese Anordnung mit einfachen technischen Mitteln realisierbar und auch weitgehend unempfindlich gegen Störeinflüsse sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß der der Längenänderung unterworfene optische Weg durch eine elastisch dehnbare optische Faser markiert ist,die mit einer Mindestvorspannung entlang des Weges geführt und mindestens abschnittsweise an mit der Längenänderung des Weges einer Positionsveränderung unterworfenen Stützstellen zugfest gehalten ist,und daß als Meßeinrichtung eine an sich bekannte Laufzeitmeßeinrichtung vorgesehen ist,die einen mit der optischen Faser zusammen einen geschlossenen Signalpfad bil denden Licht-Impulswiederholer umfaßt,der mit der Periodi zität der Signal-Umlaufdauer des Signalpfades in diesem zirkulierende Signalimpulse erzeugt,aus deren elektronisch gemessener Gesamtlaufdauer und -anzahl das lektrische Anzei gesignal ableitbar ist.

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Die erfindungsgemäße Anordnung vermittelt aufgrund ihrer f unktione.llen Eigenschaften zumindest die folgenden Vorteile:

Innerhalb der durch die Biegbarkeit der optischen Faser vorgegebenen Grenzen -um die Faser nicht zu beschädigen darf diese nicht mit zu kleinen Krümmungsradien verlegt werden, die etwa gleich dem hunderfachen Faserdurchmesser sein sohlenkann man die optische Faser entlang beliebiger Wege fest verlegen.Wegen des kleinen Faserducchmessers läßt sicu eine optimale Annäherung des Verlaufs des optischen Weges an den unter den verschiedensten Einflüssen einer Längenänderung unterworfenen Weg erzielen,sodaß dieser auch besen ders genau gemessen werden kann.Beispielsweise kann man entlang des Umfanges eines Druckkessels eine oder mehrere Windungen der optischen Faser legen und durch deren Längenänderung Druckänderungen im Kessel messen,die zu einer proportionalen Änderung des Kesselumfangs führen.Ebenso ist es möglich, die optische Faser entlang der Mantellinie eines Tragseils eine einer Seilbahn oder einer Hängebrücke zu befestigen und durch Messung der Faserlänge Rückschlüsse auf die Belastung zu ziehen oder um auf Alterungseffekte hindeutende irreversible Längenänderungen solcher Tragseile erkennen zu können.In den erwähnten Einsatzbeispielen wird die erfindungsgemäße Anordnung für Meßzwecke eingesetzt,für die,zumindest soweit es sich um die Erfassung kraftproportionaler Dehnungen handelt,auch elektrische Dehnungsmeßsteeifen eingesetzt werden könnten.Gegenüber solchen Dehnungsmeßstreifen hat die erfindungsgemäße Anordnung aber den Vorteil einer sehr viel geringeren Störanfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen oder extremen Temperaturschwankungen,wie sie beispielseise an einem Druckkessel auftreten können.Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung,insbesondere im Vergleich mit interferometrischen Meßanordnungen besteht darin,daß die Eichung,auch dann,wenn während eines Meßzyklus ein Strom -

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ausfall auftritt erhalten bleibt,da Änderungen der Faserlänge nicht von einer willkürlichen Bezugslänge aus ermittelt, sondern aus der Differenz von absoluten Faserlängen proportionalen Laufzeiten ermittelt werden.Da sich die Umlaufzeit Tin dem die optische Faser und den Impulswieder holer umfassenden Signalpfad additiv aus der Laufzeit t , der von dem Impulswiederholer ausgesandten Lichtimpulse in' dem durch die Faser markierten optischen Weg und der Laufzeit t ,des die Aussendung des Lichtimpulses triggernden Signals im Impulswiederholer zusammensetzt,die für alle Faserlängen dieselbe ist,kann man auf einfache Weise auch eine Absolut-Eicnung erzielen, i'ndem man mit einer Faser,für die

t , bekannt ist,die Gesamtlaufzeit T = t ,+ t , mißt und opt opt el

hieraus ein für allemal die für den Impulswiederholer maßgebliche Laufzeit t , ermittelt.Da die Genauigkeit der mit der erfindungsgemäßen Anordnung durchführbaren Längen-bzw. Dehnungsmessung im wesentlichen durch die Konstanz der Laufzeit t , im Impulswiederholer bestimmt ist,ist es vorteil haftjwenn gemäß dem Merkmal des Anspruchs 2 der durch die . Faserlänge bedingte Anteil t , der Laufzeit der Signal--

impulse -an der PeriodendauerT = t ,+ t , der durch, die ^r el opt

Impulswiederholung erzeugten iignalimpulsfolge groß ist gegen den durch die Aktivierung des Impulswiederholers bedingten Laufzeitanteil t , des Impulswiederholers,damit der Einfluß des Laufzeitanteils t , relativ klein ist gegen den optischen Laufzeitanteil t ,.Dies kann einmal dadurch erreicht

opt

werden,daß man die optische Faser "lang" macht und gegebenenfalls mehrfach über den zu erfassenden Weg hin und her führt und zum anderen dadurch,daß man im Falle eines elektronisch gesteuerten Impulswiederholers eine "schnelle" Impulselek tronik für die Triggerung einer als Sender benutzten spannungsgesteuerten lichtemittierenden Diode verwendet.

Die Laufzeit t , in einem solchen Impulswiederholer kann mit gängigen Mitteln auf etwa +_ lps konstant gehalten werden,was einer Genauigkeit der Längenmessung von etwa _+C^2mm entspricht.

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Um- diese Genauigkeit voll ausnutzen zu können,ist es in vielen fällen erforderlich,daß man die Umlauf-Periodendauer T über eine Vielzahl von Signalumläufen mittelt.Eine hier für geeignete,einfache Start-und Auswertungseinrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 3 umrissen.

Unter den im Anspruch 4 angegebenen Bedingungen,die sich zwanglos auf andere Abmessungen der Faser und andere Kombinationen der für die Messung wichtigen Parameter umrechnen lassen,kann dann die erreichbare Meßgenauigkeit voll ausgenutzt werden.

Wenn die mehrere Umlaufperioden umfassende Gesamtmeßzeit sehr groß wird_Td.h.im Sekundenbereich liegt,dann ist·es schon allein wegen der niemals idealen"Monochromasie des verwendeten Signallichts aufgrund der Materialdispersion der optischen Faser unvermeidlich,daß die Lichtimpulse"auseinanderlaufen",sodaß mit der Zeit ein Licht-Gleichstrom in der Faser zirkulieren würde,der natürlich keine Laufzeit messung mehr ermöglichen würde.Daher ist es vorteilhaft, wenn gemäß dem Merkmal des Anspruchs 5 die Impulsdauer der von dem Impulswiederholer ausgesandten Lichtimpulse klei der ist als diejenige der vom Impulswiederholer empfangenen Lichtimpulse und vorzugsweise konstant ist,was sich bei einem mit einem spannungsgesteuerten Lichtimpulsgeber arbeitenden Impulswiederholer auf einfache Weise durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreichen läßt.

Günstig für eine optimale Meßgenauigkeit ist es auch,wenn der Auslösezeitpunkt für das Aussenden eines neuen Licht— signals möglichst unabhängig von der aDsoluten Höhe und von den Einzelheiten der Pulsform der vom Impulswiederholer empfangenen Signale ist,da aer ausgesandte Lichtimpuls sonst durch Kauschstörungen des Empfängers des Impulswiederholers verfälscht werden könnte.Vielmehr sollte der Auslösezeitpunkt durch die gesamte Hüllkurve des empfangenen Lichtimpulses

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bestimmt werden.Ein einfacher Schwelleriwerttrigger,dessen Schwelle auf einen festen Wert,beispielsweise die halbe mittlere Höhe der empfangenen Impulse eingestellt ist,würde bei Schwankungen der Impulshöhe,die z.B.durch Veränderungen der Faserverluste durch Biegungen der Faser bedingt sein können,auch eine variierende Laufzeit ■t , im Impulswiederholer verursachen.Solche Schwankuhgen ' lassen sich aber mit sehr gutem Ergebnis durch Tregger-" schaltungen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 7 und 8 vermeiden,die sich mit an sich bekannten elektronischen Mitteln verwirklichen lassen.

Eine noch schärfere Definition des Triggerzeitpunktes ist dadurch möglich,daß als ausgesandtes Lichtsignal nicht ein einzelner Puls verwendendet wird,sondern gemäß dem Merkmajr_des Anspruchs 9 eine mehrere Lichtimpulse umfassende Impuls-Kombination,die beispielsweise eine in charakteristischer Folge über einen Teil der Umlaufdauer verteilte Lichtimpulse umfaßt.Durch die im Anspruch 10 angegebene Verteilung solcher Lichtimpulse auf die Umlaufperiode ist diese unter dem Gesichtspunkt einer möglichst genauen Messung der Laufzeit durch Mittelung über zahl reiche Signalumläufe optimal ausgenutzt,sodaß man mit relativ kurzen Gesamtmeßzeiten auskommen kann.Es ist daher günstig,wenn die Einzelimpulse in möglichst "dichter'Tol— ge ausgesandt werden können,d.h.die Einzelimpulse sollten möglichst kurz sein und insbesondere möglichst steile Flanken haben,da hierdurch die zeitliche Position der Impulse genauer definiert ist.Durch die Merkmale der Ansprüche 11 bis 13,die einzeln für sich oder auch in Teilkombinationen verwirklicht sein können,läßt sich der Einfluß der Materialdispersion auf die Impulsdauer günstig gering halten,und man erreicht Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulsflanken von etwa 1 ns.

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Wenn der der Längenänderung unterworfene Weg eine geschlossene Kurve ist,wie etwa beim erwähnten F-allbeispiel der Druckmessung durch Erfassung der Umfangslänge des Druckkessels,dann ist es ohne weiteres möglich,die vom Sender des Impulswiederholers erzeugten Lichtimpulse am einen Ende der längs des Weges verlaufenden optischen Faser einzukoppeln und sie am anderen Ende zu- empfangen und trotzdem die Laufzeit t , -im Impulswiederholer ,die' in dem speziellen Fall,daß der Empfänger eine Photo diode und der Sender eine LEDist,eine elektronische Laufzeit ist,klein zu halten.In diesem Signalpfad zirkuliert dann das zur Messung der Laufzeit ausgenutzte Signal teilals optisches,teils als elektrisches Signal,stets in derselben Richtung,sodafl man an jeder Stelle dieses Signal pfades dieselbe Impulsfolge hat.

Eine dazu alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist durch die Merkmale des Anspruchs 14 angege ben,bei der der Sender und der Empfänger des Impulswiederholers an demselben Ende der optischen Faser angeordnet sind.Der durch die Faser markierte optische Weg wird dann zweimal ausgenutzt,was im Hinblick darauf,daß t mög liehst groß gegen t , sein soll,von Vorteil ist.Diese Ausführungsform der Erfindung eignet sich insbesondere zur Messung der Länge eines Weges,dessen Ende weit vom Anfang entfernt ist,wie beispielsweise im erwähnten Fall der Längen messung eines Tragseils.

Wenn man den Lichtimpulssender und den Empfänger des Im pulswiederholers konzentrisch anordnet und geeignete Vorkehrungen trifft,daß der Empfänger nur die zurückkommenden, nicht aber die ausgesandten Lichtimpulse "sehen" kann,dann ist es auch möglich,auf einen zur Auskopplung der zurück laufenden Lichtimpulse vorgesehenen teildurchlässigen

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45- -Spiegel zu verzichten und man erhält eine besonders einfach aufgebaute Anordnung.Die durch die Merkmale des Anspruchs 15 angegebene Anordnung hat die Eigenschaft, daß sich auf einen einzigen Startimpuls hin eine Folge von die Faser durchlaufenden Lichtimpulsen aufbaut,deren zeitlicher Abstand exakt gleich ihrer optischen Laufzeit •t , in der Faser ist,jedenfalls dann,wenn die die Faser ' an ihren Enden abschließenden Spiegel direkt an den Endstirnflächen der Faser angeordnet sind.Da der am Eingang der Faser angeordnete Spiegel jedoch teildurchlässig sein muß,damit man einen Teil des Lichts der zurücklaufenden Lichtimpulse zur Laufzeitmessung auskoppeln kann,nimmt die Intensität dieser Impulse laufend ab,sodaß man ausgehend von einem Startimpuls nur eine beschränkte Anzahl von zur Messung ausnutzbaren Lichtimpulsen erhält.Eine für eine genaue Messung der Weglänge erforderliche größere Anzahl von Lichtimpulsen kann aber ohne weiteres durch wie derholte Betätigung des Startimpulsgebers erreicht werden, der beispielsweise nach fest vorgebbaren Zeitintervallen betätigt wird joder von einem die Intensität der zurück kommenden Impulse erfassenden Diskriminator gesteuert ist, der den Startimpulsgeber betätigt,sobald die Intensität der zurückkommenden Impulse einen unteren,für einen si cheren Nachweis noch ausreichenden Grenzwert unterschreitet.Für die Ermittelung der reinen optischen Laufzeit t werden dann zweckmäßigerweise nur. die durch Reflexion an dem teildurchlässigen Spiegel von einem Primärimpuls ab geleiteten Impulse ausgenutzt.

Betreibt man hingegen eine solche Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16 so,daß sich die mittels eines Im pulswiederholers von den empfangenen Impulsen abgeleiteten Impulse den durch Reflexion von einem Primärimpuls abgeleiteten Impulsen phasenrichtig überlagern,was sich mit einer Einrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 17 auf

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einfache Weise realisieren läßt,dann arbeitet man gleichsam in der Resonanz,und die empfangenen Impulse haben,jedenfalls dann,wenn die Laufzeit im Impulswiederholer gleich einem echten Bruch oder gleich der optischen Laufzeit selbst ist,dieselbe Intensität.Obwohl die Laufzeit im Impulswie derholer hier beträchtliche Werte haben kann,ist deren Einfluß auf die Meßgenauigkeit minimal,da ihre absolute Größe von vornherein eliminiert ist und Schwankungen der Laufzeit im Impulswiederholer wegen der schwachen Ankopplung des "Resonators" über den schwach durchlässigen Spiegel keinen grossen Einfluß auf die Periodendauer mehr haben können.

Die insbesondere bei elektronisch gesteuerten Impulswiederholern zu beachtenden Einflüsse der Laufzeit t , im Impulswiederholer und deren Schwankungen lassen sich schließlich durch die Verwendung optischer Impulswiederholer gemäß den Merkmalen der Ansprüche 18 - 20 im Rahmen der Meßgenauig keit völlig vermeiden.

Eine mit einem Meß-Signalpfad und einem Referenz-Signalpfad versehene Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 21 hat den Vorteil,daß man die Länge der Fasern in beiden Signalpfaden gleichsinnig beeinflussende Größen,deren Einfluß aber nicht gemessen werden soll,auf einfache Weise apparativ eliminieren kann.

Weitere Einzelheiten una Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der trfin dung anhand der Zeichnung.ns.zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen faseroptischen Meßanordnung mit einer längs eines geschlossenen Weges verlaufenden optischen Faser und einem elektronisch getriggerten Impulswiederholer,

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Fig. 2 die Abhängigkeit der Signallaufdauer in dem durch die optische Faser und den Impulswiederholer ge maß Fig.l gebildeten geschlossenen Signalpfad in Abhängigkeit von Änderungen der Faserlänge,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen faseroptischen Meßanordnung mit einer am fernen Ende durch einen Spiegel abgeschlossenen optischen Faser,

Fig. 4 eine Abwandlung der faseroptischen Meßanordnung gemäß Fig.3 mit einer in Resonanz betriebenen op« tischen Faser mit schwacher Ankopplung an den Lichtimpulssender,

Fig. 5 eine der faseroptischen Anordnung gemäß Fig.l ähnliche faseroptische Anordnung mit einem als opti sehen Verstärker ausgebildeten Impulswiederholer und

Fig. 6 eine erfindungsgemäße faseroptische Keßanordnung mit einem Meß-3ignalpfad und einem Referenz-Sig nalpfad.

Die in den Figg.l und 2-6 dargestellten faseroptischen Meßanordnungen haben den Zweck,für die verschiedensten Ein flußgrößen charakteristische Dimensionen und Dimensionsveränderungen von Körpern entlang beliebiger Wege oder Kurven möglichst genau erfassen und dadurch Rückschlüsse auf die Werte und Änderungen dieser Einflußgrößen ziehen zu können.

Die in der Fig.l dargestellte faseroptische Meßanordnung 10 eignet sich insbesondere für eine Wegmessung längs einer in sich geschlossenen Kurve,beispielsweise entlang des kreis -

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förmigen Umfangs' eines unter einem variablen Innendruck stehenden großen Kessels oder Tanks,beispielsweise eines Flüssig-Gastanks eines Transportschiffes oder dgl.In diesem Zusammenhang kann die faseroptische Meßanordnung 10 die Funktion einer Sicherheitseinrichtung haben,die ein Warmsignal auslöst,wenn der Druck im Tank und damit dessen Umfangslänge einen kritischen Grenzwert überschrei -" tet.Im einzelnen ist die faseroptische Meßanordnung 10 wie folgt aufgebaut:

entlang des zu überwachenden,geschlossenen Weges der Länge L ist eine elastisch dehnbare,monof ilö -- optische Faser 11 fest verlegt.Ihre Dehnbarkeit beträgt einige Prozent ihrer Longe.Die optische Faser 11 ist mit einer solchen Vorspannung entlang des zu überwachenden Weges verlegt,daß sie sowohl dessen Verlängerung als auch einer Verkürzung desselben folgen kann.Da die optische Glasfaser 11 einen sehr kleinen Durchmesser nat (typische Werte des Durchmessers liegen zwischen 30 und 2OuACm) ist der zu überwachende Weg durch den durch die optische Faser 11 gebildeten Signal pfad sehr genau markierbar.Zur Erzeugung von Lichtimpulsen kurzer Dauer,die am einen Ende 12 der optischen Faser 11 in diese eingespeist werden und nach der durch die Länge L der optischen Faser bestimmten Laufzeit t , = L/v,wo bei ν 'die Gruppengeschwindigkeit des Lichtes in der op tischen Faser 11 bedeutet,am anderen Ende 13 der optischen Faser 11 empfangen werden können,ist ein Impulswiederholer 14 vorgesehen,der zusammen mit der optischen Faser 11 einen geschlossenen Signalpfad bildet,in dem ein Meßsignal teils als optisches,teils als elektrisches Signal periodisch zirkuliert.Der Impulswiederholer 14 umfaßt einen spannungs gesteuerten Lichtimpulssender 16,der für Spannungsimpulse Lichtimpulse entsprechender Dauer und analoger Form aus sendet,die an dem einen Ende 12 in die optische Faser ein-

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gespeist werden.Weiter umfallt der Impulswiederholer 14 einen photoelektrischen Empfänger 17,der die nach der

Laufzeit t , am anderen Ende 13 der optischen Faser 11 opt

eintreffenden Lichtimpulse in für diese anaologe Span nungsimpulse umwandelt.Da die von dem Lichtimpulssender 16,beispielsweise einer.GaAs-Laser-Diode erzeugten Licht-■impulse auf ihrem Weg durch die optische Faser 11 aufgrund der Moden-und Materialdispersion etwas "auseinander lau fen",ist auch die Impulsdauer der elektrischen Ausgangsimpulse des Empfängers'17 etwas größer als die Dauer der primären Lichtimpulse.Um trotzdem für die hessung Lichtimpulse definierter Dauer und Form zur Verfugung zu ha ben,ist ein den Lichtimpulssender 16 triggernder Impulsformer 18 vorgesehen,der die Ausgangsimpulse eines die Empfänger-Ausgangssignale verstärkenden Verstärkers 19 in Trtiggerimpulse definierter Dauer und Form umwandelt.Der den Empfänger 17,den Verstärker 19,den Impulsformer 18 und den Lichtimpulssender 16 umfassende Lichtimpulswiederholer 14 ist mit einer Laufzeit t , behaftet,die sich "

el '

mit der Laufzeit t , der Lichtimpulse in der Faser 11 zur Gesamt-Signallaufzeit

^{T = fc}o_Pt ^{+ fc}el ⁽¹⁾

ergänzt.Dies ist dann auch die Periodendauer,mit der nach dem Auslösen eines ersten Licntimpulses mittels einer Starteinrichtung 20 ein Signal an beliebiger Stelle des geschlossenen Signalpfades 11,14 als optisches bzw.elektrisches Signal beobachtbar ist.

Um diese Periodendauer T,aus der sich bei bekannter Lauf zeit t , des Signals im Impulswiederholer 14 gemäß der Beziehung

L = v(T-t_el) (2)

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die Länge L der optischen Faser 11 bestimmen läßt,mög liehst genau messen zu können,ist eine Periodendauer-Meßeinrichtung 21 vorgesehen,mit der durch Mittelung über eine große Anzahl von Signalumläufen die Periodendauer T und/oder die Impulsfolgefrequenz der Signalim pulse mit großer Genauigkeit bestimmbar ist.Diese Periodendauer-Meßeinrichtung enthält einen ebenfall-s mittels der Starteinrichtung 20 aktivierbaren Impulszähler 22, der die Spannungs-Ausgangsimpulse des Impulsformers 18 zählt und einen gleichzeitig mit dem Impulszähler 22 aktivierten Zeit-Impulszähler 23,der solange die mit hoher Frequenz auftretenden Ausgangsimpulse eines quarzgesteuerten Oszillators zählt,bis der Spannungs-Impulszähler einen vorgebbaren Zählerstand erreicht.hat.Der Zähler stand des Zeitimpulszählers 23 ist dann direkt der über die vom Impulszähler 22 gezählten Anzahl von Signalum laufen gemittelten Periodendauer T proportional und kann aus der bekannten Frequenz des quarzgesteuerten Referenz-Oszillators und der Anzahl der beobachteten Signalumläufe mittels eines geeigneten digitalen Rechners,der Teil der Periodendauer-Meßeinrichtung 21 ist,ermittelt werden.Durch eine entsprechende Messung kann auch die Laufzeit t .. im Impulswiederholer 14 für eine gegebene Anordnung ein für allemal festgestellt werden,indem man die Periodendauer der Anordnung mit einer Faser bekannter Länge mißt.Dabei ist natürlich vorausgesetzt,daß die Gruppengeschwindig keit ν des verwendeten Signallichts aus den bekannten Brechungsindex-Daten der Faser entnehmbar ist,sodaß es,um schließlich die Beziehung (2) auswerten zu können,genügt, die Periodendauer T zu messen.Ist der Anteil t , der Um -

el

laufperiodendauer T einmal ermittelt,dann ist die Anord nung gemäß Fig.1 ein für allemal geeicht,wobei die Eichung nur noch mit einem durcn Schwankungen des Laufzeitanteils t . bedingten Fehler behaftet ist,der aber durch einen ge-

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eigneten Aufbau des Verstärkers 19 und des Impulsformers 18 sowie durch geeignete Wahl der Empfänger- und Sende Dioden 17 und 16 sehr klein gehalten werden kann.Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein,den Impulswiederholer mittels einer Temperatur-Regeleinrichtung auf konstanter Betriebstemperatur zu halten.

Um die mit einer Anordnung gemäß Fig.l erreichbare Meßgenauigkeit zu testen,wurde eine Cuarzfaser mit einer Länge L = 200m benutzt.Diese Quarzfaser war in 40 Windungen um zwei achsparallele Trommeln mit einem Durchmesser von etwa 14cm gelegt,deren mittlerer Abstand 2m betrug und definiert verändert werden konnte.Die Cuarzfaser war eine von der Firma SEL gelieferte,sogenannte Gradientenfaser,deren wirksamer Brechungsindex etwa 1,46 ist.Als 5endediode wurde eine GaAs-Laser-Diode verwendet,deren Lichtimpulse eine Impulsdauer von 6ns mit Anstiegs-und Abfallzeiten von ca Ins hat.Die wellenlänge der von der GaAs-Laser-Diode emittierten Lichtimpulse ist 905nm,was einer Gruppengeschwin -

digkeit ν in der Cuarzfaser von etwa 2,1 χ 10 m/sec ent spricht.Die Laufzeit t , im impulswiederholer betrug 40ns, sodaß sich insgesamt eine Umlaufperiodendauer T von etwa llCs ergibt.Hit einem kommerziellen elektronischen Zähler, für den als Vergleichsnormal ein Quarzoszillator diente, konnte die Periodendauer T durch Mittelung über 10 Um lauf-Periodendauern T,was einer Gesamtmeßzeit von lsec ent-

-12 spricht,mit einer Genauigkeit von etwa 10 s gemessen werden.Die-Konstanz der Periodendauer T,die im wesentli chen durch die Konstanz des Laufzeitanteils t , im Impulswiederholer bestimmt ist,betrug + lps,was einer Genauig keit der Längenmessung von etwa + 0,2mm entspricht.

Im Diagramm der Fig.2 ist der mit dem genannten Laboraufbau gemessene Zusammenhang zwischen Faserdehnung AL und Umlauf-Periodendauer T dyrch die Linie 24 repräsentiert.

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Als Abszisse ist die Längenänderung Δΐ. der 200m langen Quarzfaser in mm und als Ordinate die Umlaufperiodendau— er T in Als, jeweils in linearem Maßstab auf getragen.Der gemäß der Beziehung (2) zu erwartende lineare Zusammenhang zwischen der Änderung &L der Faserlänge und der Änderung der Umlauf-Periodendauer T wird durch- den im Rahmen der Meßgenauigkeit linearen Verlauf der Linie 24 sehr gut wiedergegeben,was zeigt,daß faseroptische Meßanord — nungen sehr gut zur Erfassung eine Dehnung der Faser bewirkender Einflußgrößen geeignet sind_Tbeispielsweise von Kräften,die direkt oder über eine mechanische Übertragungseinrichtung ,die der Faser einen geeigneten Dehnungshub 5ü^fprägt,an derselben angreift.Dabei ist für die Auslegung von Meßanordnungen von Bedeutung,daß sich gute optische Fasern um bis zu einigen Prozent ihrer Länge elastisch dehnen lassen, sodaß man im Beispiel der 200m langen Faser einen Meßbereich von einigen Metern zur Verfugung hat,der bei der erwähnten Längenmeß-Genauigkeit von + 0,2mm somit sehr genau erfaßbar ist.Je nach dem Durchmesser der verwendeten Fasern können Kräfte im Bereich zwischen ca Ip und lOOkp auch direkt in eine optische Faser eingeleitet werden, die in einem dem geschilderten Laboraufbau ähalichen Aufbau angeordnet ist.Bei der Messung von Weglängen und Weglängenänderungen spielt ningegen der Faserdurchmesser nur eine untergeordnete Rolle.Will man allerdings eine sehr lange Strecke absolut möglichst genau erfassen,so wird man eine verhältnismäßig dicke Faser mit einem Außendurcnmesser von beispielsweise 2u0fim verwenden,um die Bruch — gefahr bei mechanischer Beanspruchung herabzusetzen.Kommt es umgekehrt auf Weglängenänderungen an und ist die Meßstrecke nur kurz,so ist eine dünnere Faser mit einem Durchmesser von ca 50Rm zweckmäßig,um die Rückwirkung der- Meßanordnung auf das Meßobjekt infolge der elastischen Spannung der Faser gering zu halten.

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Günstige Eigenschaften optischer Glasfasern,die sich mit Vorteil bei der Meßanordnung 10 gemäß Fig.-l und in Anordnungen gemäß den noch zu beschreibenden Figg. 2-6 ausnutzen lassen,sind auch die folgenden: Glasfasern haben im Vergleich zu den meisten anderen Materialien einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizien-•ten,was besonders- günstig für ihre Verwendung■zur ab soluten Längenmessung ist.Speziell Fasern aus Quarzglas

Ί «2*1 — fi — *1

haben eine relative Wärmedehnung von nur =- *p"- 0,4x10 K. Die hieraus folgenden Meßfehler sind daher vernachläs sigbär klein gegen den Temperaturkoeffizienten der Gruppengeschwindigkeit - SjTs ,der bei etwa 5x10 -K liegt, und der damit vergleichbar ist mit den Temperaturkoeffizienten üblicher elektrischer Dehnungsmeßstreifen,die zu ähnlichen Zwecken eingesetzt werden können.Gegenüber diesen besitzt eine faseroptische Meßanordnung jedoch den Vorzug völliger linempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern,wie sie z.B.in der Nähe elektri scher"Maschinen auftreten können.Weiter ist eine faseroptische Längen- bzw.Längenänderungsmeßanordnung auch noch bei extrem niedrigen und hohen Temperaturen geeignet.Fasern aus Quarzglas können beispielweise vom absoluten Nullpunkt an bis etwas unterhalb ihres Transfor mationspunktes (Tg ^1700° K) ohne nennenswerte Beein trächt'igung ihrer optischen Eigenschaften benutzt werden. Erwähnenswert ist auch die Unempfindlichkeit von Quarzglas-Fasern gegen ionisierende Strahlung,sodaß die er findungsgemäße Anordnung auch für Messungen in Kernreaktoren geeignet ist.

Die Fig.3 zeigt eine faseroptische Anordnung 30,die derjenigen gemäß Fig.l weitgehend analog ist.Demgemäß sind identische oder funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen belegt.

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Auch bei der f as-eroptischen Anordnung '30 gemäß Fig. 3 sind eine optische Faser 31 und ein Impulswied.erholer 14 die die Umlauf-Periodendauer eines teils als optisches, teils als elektrisches Signal zirkulierenden Signals bestimmenden Teile eines geschlossenen Signalpfades.Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig.l ist hier jedoch die optische Faser 31 entlang.eines "offenen"Weges geführt,bei dem Anfang und Ende sehr weit voneinander entfernt sein können.Der vom Lichtimpuls — sender 16 über die Faser zum Empfänger 17 des Lichtimpulswiederholers 14 zurückführende,durch die optische Faser 31 markierte Lichtweg ist am Sender- bzw.Empfängerfernen Ende 32 der optischen Faser 31 durch einen Spiegel 33 abgeschlossen,der die vom Sender 16 kommenden Lichtimpulse möglichst quantitativ in die optische Faser 31 zurückreflektiert,sodaß sie am Empfänger- bzw. Sender-nahen Ende der optischen Faser 31 empfangen werden können.Zur Auskopplung der zurücklaufenden Lichtimpulse aus dem optischen Signalpfad auf die Empfänger diode 17 ist ein unter 45 zum Verlauf der optischen Achse 36 im Bereich des nahen Endes 34 der optischen Faser 31 geneigter Spiegel 37 vorgesehen,durch den auch die von der Sendediode 16 erzeugten,entlang der optischen Achse 36 eingespeisten Lichtimpulse hindurchtreten müssen. Auf einen gemäß Fig.3 vorgesehenen Umlenkspiegel 38 kann gegebenenfalls verzichtet werden,wenn die Sende diode 16 so angeordnet ist,daij üie von ihr erzeugten Lichtimpulse in Richtung der optischen Achse 36 austreten.Da bei der Anordnung gemäß Fig.3 die Lichtimpulse die Faser 31 zweimal durchlaufen,ist natürlich bei einer Auswertung der gemessenen Umlaufperiodendauer T gemäß der Beziehung (2)anstatt der einfachen Faserlänge L die doppelte Faserlänge 2L einzusetzen.

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Dies gilt natürlich auch für die faseroptische Anordnung 40 gemäß Fig.4,die eine besonders interessante .Abwand lung der Anordnung 30 gemäß Fig.3 darstellt.Funktionsgleiche Teile sind wiederum mit denselben Bezugszeichea wie in Fig. 3 belegt .-Hinsich ti ich ihres optischen Aufbaus / unterscheidet sich die faseroptische Anordnung 40 von derjenigen gemäß Fig.3 lediglich dadurch,daß ihre, optische Faser 31 an ihrem Sender- bzw.Empfänger-nahen Ende 34 durch ■ einen schwach durchlässigen Spiegel 41,der beispielsweise eine Durchlässigkeit von etwa 10% hat,abgeschlossen ist. Dies hat,für sich aliein gesehen,zur Folge,daß ein zu einem Zeitpunkt t« eingespeister primärer Lichtimpuls mehrfach in der Faser 31 hin und her reflektiert wird,wobei seine Amplitude exponentiell abnimmt,da bei jedem Auf treffen auf den teildurchlässigen Spiegel 41 ein bestimmter Bruchteil seiner Lichtleistung ausgekoppelt wird.Der Empfänger "sieht" dann pro eingespeistem Primär-Lichtimpuls eine Folge von Impulsen abnehmender Intensität,deren zeitlicher Abstand gleich ihrer Laufzeit T über die doppelte Faserlänge 2L ist.Wählt man.diese Impulse für die Bestimmung der Laufzeit T,ohne sie über aen Impulswiederholer zirkulieren zu 1assen,so hat man auf einfache Weise die den Heßfehler bestimmenden Schwankungen der Laufzeit t , im Impulswiederholer eliminiert.Um eine für eine hinreichend genaue Mittelwertbildung ausreichende Anzahl von Signalimpulsen zu erhalten,kann dann so verfahren werden,daß nach einer Sicherheitszeitspanne, nach der der letzte Impuls,der noch eine für einen sicheren Nachweis ausreichende Intensität hat,empfangen worden ist,erneut ein Primärimpuls erzeugt wird und die von diesem initiierte Impulsfolge verarbeitet wird.Dies hätte natürlich erhöhte Neßzeiten zur Folge und die Anordnung wäre auch empfindlich gegenüber Schwankungen der Intensität der Primärimpulse.Diese an sich nicht gravierenden Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermeiden,

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2816Θ82

daß der. Impul.swiederholer 42 gemäß Fig.4 einen Regel kreis 43 enthält,der die elektronisch beeinflußbare
Laufzeit t so einstellt,daß diese gleich der Lauf zeit t der Lichtimpulse in der optischen Faser 31 ist. L'in solcher Regelkreis kann mit bekannten elektronischen Mitteln realisiert werden,beispielsweise dadurch,daß aus einem Phasenvergleich der vom Impulsformer 18 -ausgesandte" Triggerimpulse mit den Ausgangsimpulsen des Empfängerverstärkers 19 ein die Frequenz eines den Impulsformer 18 ansteuernden spannungsgesteuerten Oszillators kompensato risch beeinflussendes Steuersignal abgeleitet wird,sodaß dessen,den Impulsformer 18 beaufschlagendes Ausgangssignal stets eine der Laufzeit t , der Lichtimpulse in.der optischen Faser 31 entsprechende Periodendauer T hat.Die faseroptische Anordnung 40 ist dann in der Resonanz be — trieben und die vom Empfänger 17 nachzuweisenden Licht impulse haben dieselbe Intensität.Regelt man die Frequenz des den Impulsformer 18 ansteuernaen Oszillators auf einen Wert,aer gleich einem ganzzahligen Vielfachen der mit der Laufdauer t ,in der optischen Faser 31 verknüpften Impulsfolgefrequenz ist,so erzielt man eine entsprechend erhöhte, für die genaue Mittelwertbildung günstigere Anzahl von Signalimpulsen und man kann gegebenenfalls die Meßzeit verkürzen.

Bei der in der F ig.5 dargestellten faseroptischen Anordnung 50,deren optische Faser 51 ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 längs eines geschlossenen ,Ve ges verlegt ist,ist als Impulswiederholer ein optischer
Verstärker 52 eingesetzt,der-das am einen Ende 53 der optischen Faser. 51 ankommende Lichtsignal direkt optisch verstärkt und dann wieder am anderen Ende 54 einspeist.Die
beiden Enden 53 und 54 der optischen Faser 51 sind dabei direkt mit den einander gegenüber liegenden Endflächen des optischen Verstärkers gekoppelt,der als eine an sich be -

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;2'81ββθ2

kannte mit Nd ⁺-Ionen dotierte Gläsfaser(Optical Elec tronics II,Bd.18,No.1,S.86,87,Julil976)oder in "der Art eines an sich bekannten GaAs-Lasers ausgebildet ist.Der optische Verstärker 52 wird im Takt des empfangenen Lichtsignals gepumpt,wobei es sich durch eine geeignete,nicht lineare Kennlinie des Verstärkers 52 erreichen läßt,daß die emittierten Impulse stets kürzer sind als die empfangenen.Ein Teil des periodischen Lichtsignals wird ausgekoppelt und mit einer Photodiode 56 empfangen.Das Ausgangs signal dieser Diode 56 wird von einer Periodendauer-Meß einrichtung 57 in der bereits erläuterten Weise verarbeitet und steuert zugleich -auch einen Impulsformer 58 an,der im richtigen Takt und in der richtigen Phase die Stromversorgung des optischen Verstärkers vermittelt.

Der wesentliche Vorteil der Verwendung des optischen Ver stärkers 52 als Impulswiederholer besteht darin,daß die durch elektronische Laufzeiten und die aus deren Schwankungen herrührenden Störungen oder nachteiligen Einflüsse auf die Meßgenauigkeit völlig vermieden sind.Es versteht sich,daß in sinngemäßer Abwandlung der Anordnungen gemäß den Figg.1,3 und 4 auch diese mit einem optischen Verstärker als Impulswiederholer betrieben werden können.

Schließlich ist in der Fig.6 eine faseroptische Anordnung 60 dargestellt,die im wesentlichen eine Kombination der faseroptischen Anordnung 10 gemäß Fig.l mit einer faser optischen Anordnung 30 gemäß Fig.3 darstellt.Dabei dient die eine faseroptische Anordnung 10 zur Überwachung der Länge eines von ihrer optischen Faser 11 umspannten Weges, während die andere faseroptische Anordnung 30,deren optische Faser 31 eine Länge hat,die etwa gleich der halben mittleren Länge der erstgenannten optischen Faser 11 hat, als Ref erenz--Signalpf ad dient.Sie ist'so angeordnet,daß

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si-e nicht den Dehnungen unterworfen ist,die mittels der optischen Faser 11 erfaßt werden sollen,ansonsten aber denselben,die Laufzeit in den optischen Fasern 11 und 31 bestimmenden Einflüssen ausgesetzt ist.Die dem Meß-Signalpfad 11 und dem Referenz-Signalpfad 31 zugeordneten Im pulswiederholer sind von der gemeinsamen Starteinrichtung -20 aus startbar.Die Ausgangssignale ihrer Impulsformer sind die Eingangssignale eines Vorwärts/Rückwärtszählers 61,der die Ausgangsimpulse des dem Meßsignalpfad 11 zu geordneten Impulsformers beispielsweise in Vorwärtsrichtung und die Ausgangsimpulse des dem Referenz-Signalpfad 31 zugeordneten Impulsformers in Rückwärtsrichtung zählt. Der Vorwärts/Rückwärtszähler 61 kann am Beginn der Messung auf Null gesetzt werden,sodaß sein End-Zählerstand am Ende einer Messung nicht nur den Betrag der erfaßten Längen änderung des überwachten Weges sondern auch den Änderungssinn dieses Weges wiedergibt.

Natürlich kann man die Iseßsignalpf ad-Ref erenzsignalpf adkombination einer der Fig.6 analogen Anordnung mit beliebigen Kombinationen der erläuterten Anordnungen gemäß den Figg.l und 3-5 verwirklichen,und es versteht sich auch, daßMaßnahmen,die nur in Verbindung mit einer der genannten Anordnungen beschrieben sind,auch bei den anderen verwirklicht sein können.Insbesondere kann es für die genaue Bestimmung der Periodendauer bzw.der Folgefrequenz,mit der die umlaufenden Signale behaftet sind,zweckmäßig sein,wenn der Impulsformer des Impulswiederholers bei seiner Akti vierung ein in charakteristischer V/eise kodiertes "Tmpulsworf'd.h.eine charakteristische Folge von Ausgangsimpulsen erzeugt,durch deren empfängerseitige Dekodierung ein einzelner Impuls zur erneuten Aktivierung des Impulsforrhers erzeugt wird.Man kann dann diese für das /Auftreten einer

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bestimmten Impulskombination charakteristischen Dekodier-Impulse zähl-en und aus deren Anzahl bzw.zeitlicnem Abstand die Umlaufperiodendauer T sehr genau ermitteln.

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Claims

Patentanwalt . · P 7842

Dr.J.D.Lutz

Römerstraße 40 . · ■

Leonberg ■

TeL:07152/44442 · .

Telex:7245705'

Anmelder

Max-Planck-Gesellschaft

zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Bunsenstraße 10

Göttingen

Patentansprüche

1.yAnordnung zur Erfassung des Einflusses physikaliscner - Größen wie Druck,Umgebungstemperatur,Schub-oder Zug kräfte oder dgl.auf die Länge eines Weges,mit einer auf die Weglängenänderung ansprechenden optischen Längen-Meßeinrichtung,mit der ein mindestens für die Weglängen änderung charakteristisches elektrisches Anzeigesignal erzeugbar ist,

dadurch gekennzeichnet,daß der der Längenänderung unterworfene Weg durch eine elastisch dehnbare optische Faser. (11;31;51)markiert ist,die mit einer Mindestvorspannung entlang des Weges geführt und mindestens abschnittsweise an mit der Längenänderung des Weges einer Positionsveränderung unterworfenen Stützstellen zugfest gehalten ist,und daß als Meßeinrichtung eine an sich bekannte Laufzeit-Meßeinrichtung vorgesehen ist,die einen mit der optischen Faser (11;31;51)zusammen einen geschlossenen Signalpfad bildenden Licht-Impulswiederholer(14;42;52) umfaßt,der mit der Periodizität der Umlaufdauer des Signalpfades in diesem zirkulierende Signalimpulse erzeugt, aus deren elektronisch gemessener Gesamtlaufdauer und -anzahl das elektrische Anzeigesignal ableitbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,daß der durch die Faserlänge bedingte Anteil t , der Laufzeit der Signalimpulse an der Periodendauer T der Signalimpulsfolge groß ist gegen den durch die Aktivierung des Impulswiederholers (14)bedingten Laufzeitanteil t , .

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,daß eine den ersten von dem Im— pulswiederholerC14;42;52)initiierende und gleichzeitig einen die Ausgangimpulse eines quarzgesteuerten Oszillators(23)sowie gleichzeitig einen die Ausgangsimpulse eines quarzgesteuerten Oszillators(23)zählenden Impulszähler sowie einen die in.dem Signalpfad zirkulierenden Impulse zählenden Signalimpulszähler(22)aktivierende Starteinrichtung(20)vorgesehen ist,und daß der Signalimpulszähler ( 22) nach Erreichen eines vörgebbaren End Zählerstandes einen den Zeitimpulszähler entaktivierenden Stoppimpuls erzeugt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Laufzeit t , bei einer Gesamtlaufzeit von lHs mindestens zwanzig Mal größer ist als die Laufzeit t , im Impulswiedei holer(14;42)und daß das Zählzeitintervall etwa lsec.ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die Impulsdauer der vom Impulswiederholer(14;42;52)äusgesandten Lichtimpulse kleiner ist als die der vom Impulswiederholer empfangenen Lichtimpulse und vorzugsweise konstant ist.

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6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß der Lichtimpulssender(16) des Impulswiederholers(14;42)eine lichtemittierende Diode ist,die mit den _Ausgangimpulsen eines Impulsformers(18)angesteuert ist,der als Trigger-Eingangssignale die geeignet verstärkten Ausgangssignale eines die Lichtimpulse nach Durchlaufen der optischen Faser (11;31)empfangenden photoelektrischen DetektorsC17) empfängt.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß der LichtimpulssenderC16) durch Ausgangssignale einer Diskriminatorschaltung getriggert ist,die ein bestimmtes Verhältnis der Signalamplitude der am Empfänger(17)empfangenen Lichtsignale zu deren Haximalamplitude markieren.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,daß der LichtimpulssenderC16) durch die Ausgangsimpulse eines auf die Vorder-und Rückflanken der Ausgangsimpulse des Empfangers(18)ansprechenden Flankendetektors getriggert ist,dessen Ausgangssignale in einer definierten zeitlichen Relation zum zeitlichen Schwerpunkt der empfangenen Impulse stenen.'

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß der ImpulswiederholerC14;42) innerhalb einer Umlaufzeit T = t ,+ t . eine mehrere

opt el

Lichtimpulse umfassende Impuls-Kombination erzeugt.

10.Anordnung nacn Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,daß die Lichtimpulse innerhalb einer Umlaufperiodendauer T mit in erster Näherung gleichen Impulsintervallen über mindestens einen Teil der Periodendauer verteilt sind.

909851/0008 "⁴ "

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(ll;31; 51)als eine an sich bekannte Gradienten-Faser mit vom Mantel zum Kern hin zunehmendem Brechungsindex ausgebildet ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet,daß die optische FaserC11;31;51) als eine Monomode-Faser ausgebildet ist und daß als Lichtimpulssender ein gepulster Laser verwendet ist.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(11;31;51) eine Quarzfaser ist und daß die Wellenlänge des Im pulslichts etwa 1,3Jk+ 0,05/(ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(31)an ihrem vom Impulssender(16)entfernten Ende(32)durch einen Spiegel(33)abgeschlossen ist und daß zur Auskopplung der zum Sender-nahen EndeC34)zurücklaufenden Impulse auf den Empfänger(17)ein teildurchlässiger 45 -Spiegel(37)vorgesehen ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet,daß die optische Faser(31)auch an ihrem eingangsseitigen EndeC34)durch einen schwach durchlässigen Spiegel abgeschlossen ist,der den größten Teil des aus der Faser austretenden Lichtes wieder in die Faser zurück reflektiert.

16. Anordnung nacn Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet,daß die elektronische Laufzeit t , der Empfänger-Senderstrecke dös Impulswiederholers (42)gleich der optischen Laufzeit t , der Lichtimpulse

— 5 —

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in der optischen Faser oder gleich einem Stammbruch oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Laufzeit t . ist.

opt

17. Anordnung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet,daß die Impulsfolgefrequenz der vom Lichtimpulssender(16)erzeugten Lichtimpulse durch die Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuer-ten Oszillators bestimmt ist,der als den Wert dieser Ausgangsfrequenz bestimmendes Eingangssignal das Ausgangssignal eines phasenempfindlichen Detektors em pfängt,der aus dem Vergleich der Phasenlage des Ausgangssignals des ImpulsformersC18) mit dem Ausgangssignal des Empfängerverstärkers(19)ein dem Pasenunterschied zwischen diesen Signalen proportionales Steuersignal zur kompensatorischen Frequenzänderung des Oszillators erzeugt.

■18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß der Impulswiederholer als ein optischer Verstärker(52)ausgebildet ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet,daß der optische Verstärker durch einen in an sich bekannter Weise mit Nd -Ionen dotierter Abschnitt einer optischen Faser gebildet ist.

20. Anordnung nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet,daß als optischer Verstärker(52) ein an sich bekannter GaAs-Laser eingesetzt ist.

21. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß zusätz^icn zu einem Meß signalpfad ein gleichzeitig mit diesem aktivierbarer und entaktivierbarer Referenz-Signalpfad(30)vorgesehen

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nachträglich
geändert

Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß zusätzlich zu einem Meßsignalpfad ein gleichzeitig mit diesem aktivierba rer und entaktivierbarer Refenenz-Signalpfad(30)vorgesehen ist,dessen optische Faser(31)ein einem mittleren Wert der optischen Länge der Faser(ll)des Meß— signalpfades(10)entsprechende optische Länge hat»

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