DE2816682C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Erfassung des Einflusses physikalischer Größen wie Druck, Umgebungstemperatur, Schub- oder Zugkräfte oder dergleichen auf die Länge eines Weges, mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.

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 Weglängenänderungen 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, so daß man aus einer Längenänderung des Stabes direkt auf die damit korrelierte Temperaturänderung schließen kann. Die Zahl der im Verlauf einer Temperaturänderung von T₁ auf T₂ nacheinander auftretenden Ausgangsimpulse eines am Interferenzort aufgestellten Empfängers, der jeweils bei konstruktiver Interferenz einen Ausgangsimpuls erzeugt, ist 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. B. 1-5 m).

Zum anderen lassen sich mit interferometrischen Messungen zwar die mit Änderungen einer bestimmten Größe verknüpften Längenänderungen eines durch einen Körper markierten Weges sehr genau erfassen, nicht aber die mit einem bestimmten Wert dieser Größe verknüpfte Bezugslänge des der Längenänderung unterworfenen Körpers, so daß letztlich der Absolutwert der geänderten Größe mit demjenigen Fehler behaftet ist, mit dem der Bezugswert durch andere, mit geringerer Genauigkeit durchführbare Messungen bestimmbar ist.

Mit diesen Nachteilen ist auch die durch die DE 26 02 691 A1 bekannte faseroptische Vorrichtung zur Messung kleiner Längenänderungen behaftet, bei der die Längenänderung aus der Phasenänderung eines Lichtstromes ermittelt wird, die dieser Lichtstrom auf einem durch eine optische Faser markierten, der Längenänderung unterworfenen Weg gegenüber einem Referenzlichtstrom erfährt, der ebenfalls durch eine optische Faser markiert ist, die jedoch der Längenänderung nicht ausgesetzt ist. Die Phasenmessung erfolgt durch Messung der Intensität des durch Überlagerung der beiden Lichtströme entstehenden Gesamtlichtstromes, das heißt interferometrisch nach der vorstehend erläuterten klassischen Methode.

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 diese Länge ihrem Absolutwert nach selbst mit einer für eine hinreichend genaue Erfassung dieser Einflußgröße ausreichenden Genauigkeit meßbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine nach dem für sich bekannten Prinzip der Laufzeitmessung arbeitende Meßeinrichtung vorgesehen ist, die einen zusammen mit der optischen Faser einen geschlossenen Signalpfad bildenden Lichtimpulssender und einen -Empfänger enthaltenden Lichtimpuls-Wiederholer umfaßt, der mit der Periodizität der Umlaufdauer T = t _opt + t _el des Signalpfades in diesem zirkulierende Signalimpulse erzeugt, aus deren elektronisch gemessener Gesamtlaufdauer und -anzahl das elektrische Anzeigesignal ableitbar ist, wobei mit t _opt der durch die Faserlänge bedingte Anteil der Laufzeit der Signalimpulse an der Umlaufdauer T und mit t _el deren durch die Aktivierung des Impulswiederholers bedingte Laufzeitanteil bezeichnet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung vermittelt, insbesondere im Vergleich mit interferometrischen Meßanordnungen bzw. Phasenmeßanordnungen den großen Vorteil, daß die Absolutwerte der Längen des der Längenänderung unterworfenen Weges sehr schnell und sehr genau meßbar sind und daher auch Längenänderungen mit entsprechender Genauigkeit erfaßbar sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Eichung auch dann, wenn während eines Meßzyklus ein Stromausfall 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 Impulswiederholer umfassenden Signalpfad additiv aus der Laufzeit t _opt der von dem Impulswiederholer ausgesandten Lichtimpulse in dem durch die Faser markierten optischen Weg und der Laufzeit t _el des die Aussendung des Lichtimpulses triggernden Signals im Lichtimpuls-Wiederholer zusammensetzt, die für alle Faserlängen dieselbe ist, kann man auf einfache Weise auch eine Absolut-Eichung erzielen, indem man mit einer Faser, für die t _opt bekannt ist, die Gesamtlaufzeit T = t _opt + t _el mißt und hieraus ein für allemal die für den Lichtimpuls-Wiederholer maßgebliche Laufzeit t _el ermittelt. Da die Genauigkeit der mit der erfindungsgemäßen Anordnung durchführbaren Längen- bzw. Dehnungsmessung im wesentlichen durch die Konstanz der Laufzeit t _el im Lichtimpuls-Wiederholer bestimmt ist, ist es vorteilhaft, wenn gemäß dem Merkmal des Anspruchs 2 der durch die Faserlänge bedingte Anteil t _opt der Laufzeit der Signalimpulse an der Periodendauer T = t _opt + t _el der durch die Impulswiederholung erzeugten Signalimpulsfolge groß ist gegen den durch die Aktivierung des Lichtimpuls-Wiederholers bedingten Laufzeitanteil t _el des Lichtimpuls-Wiederholers, damit der Einfluß des Laufzeitanteils t _el relativ klein ist gegen den optischen Laufzeitanteil t _opt. Dies kann einmal erreicht 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 Lichtimpuls-Wiederholers eine "schnelle" Impulselektronik für die Triggerung einer als Sender benutzten spannungsgesteuerten lichtemittierenden Diode verwendet.

Die Laufzeit t _el in einem solchen Lichtimpuls-Wiederholer kann mit gängigen Mitteln auf etwa ±1 ps konstant gehalten werden, was einer Genauigkeit der Längenmessung von etwa ±0,2 mm entspricht.

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 hierfür 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, d. 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 Laufzeitmessung mehr ermöglichen würde. Daher ist es vorteilhaft, wenn gemäß dem Merkmal des Anspruchs 5 die Impulsdauer der von dem Impulswiederholer ausgesandten Lichtimpulse kleiner ist als diejenige der vom Lichtimpuls-Wiederholer 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 Lichtsignals möglichst unabhängig von der absoluten Höhe und von den Einzelheiten der Pulsform der vom Lichtimpuls-Wiederholer empfangenen Signale ist, da der ausgesandte Lichtimpuls sonst durch Rauschstörungen des Empfängers des Impulswiederholers verfälscht werden könnte. Vielmehr sollte der Auslösezeitpunkt durch die gesamte Hüllkurve des empfangenen Lichtimpulses bestimmt werden. Ein einfacher Schwellenwerttrigger, 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 _el im Lichtimpuls-Wiederholer verursachen. Solche Schwankungen lassen sich aber mit sehr gutem Ergebnis durch Triggerschaltungen 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 verwendet wird, sondern gemäß dem Merkmal 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 Mitteilung über zahlreiche Signalumläufe optimal ausgenutzt, so daß man mit relativ kurzen Gesamtmeßzeiten auskommen kann. Es ist daher günstig, wenn die Einzelimpulse in möglichst "dichter" Folge 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.

Wenn der der Längenänderung unterworfene Weg eine geschlossene Kurve ist, wie etwa beim erwähnten Fallbeispiel der Druckmessung durch Erfassung der Umfangslänge des Druckkessels, dann ist es ohne weiteres möglich, die vom Sender des Lichtimpuls-Wiederholers 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 _el im Lichtimpuls-Wiederholer, die in dem speziellen Fall, daß der Empfänger eine Photodiode und der Sender eine LED ist, eine elektronische Laufzeit ist, klein zu halten. In diesem Signalpfad zirkuliert dann das zur Messung der Laufzeit ausgenutzte Signal teils als optisches, teils als elektrisches Signal, stets in derselben Richtung, so daß man an jeder Stelle dieses Signalpfades dieselbe Impulsfolge hat.

Eine dazu alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist durch die Merkmale des Anspruchs 14 angegeben, bei der der Sender und der Empfänger des Lichtimpuls-Wiederholers an demselben Ende der optischen Faser angeordnet ist. Der durch die Faser markierte optische Weg wird dann zweimal ausgenutzt, was im Hinblick darauf, daß t _opt möglichst groß gegen t _el 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 Längenmessung eines Tragseils.

Wenn man den Lichtimpulssender und den Empfänger des Lichtimpuls- Wiederholers 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 zurücklaufenden Lichtimpulse vorgesehenen teildurchlässigen 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 Lichtimpulse aufbaut, deren zeitlicher Abstand exakt gleich ihrer optischen Laufzeit t _opt 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, so daß man ausgehend von einem Startimpuls nur eine beschränkte Anzahl von zur Messung ausnutzbaren Lichtimpulse erhält. Eine für eine genaue Messung der Weglänge erforderliche größere Anzahl von Lichtimpulsen kann aber ohne weiteres durch wiederholte Betätigung des Startimpulsgebers erreicht werden, der beispielsweise nach fest vorgebbaren Zeitintervallen betätigt wird oder von einem die Intensität der zurückkommenden Impulse erfassenden Diskriminator gesteuert ist, der den Startimpulsgeber betätigt, sobald die Intensität der zurückkommenden Impulse einen unteren, für einen sicheren Nachweis noch ausreichenden Grenzwert unterschreitet. Für die Ermittlung der reinen optischen Laufzeit t _opt werden dann zweckmäßigerweise nur die durch Reflexion an dem teildurchlässigen Spiegel von einem Primärimpuls abgeleiteten Impulse ausgenutzt.

Betreibt man hingegen eine solche Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16 so, daß sich die mittels eines Lichtimpuls-Wiederholers 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 einfache Weise realisieren läßt, dann arbeitet man gleichsam in der Resonanz, und die empfangenen Impulse haben, jedenfalls dann, wenn die Laufzeit im Lichtimpuls-Wiederholer gleich einem echten Bruch oder gleich der optischen Laufzeit selbst ist, dieselbe Intensität. Obwohl die Laufzeit im Impulswiederholer 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 Lichtimpuls-Wiederholern zu beachtenden Einflüsse der Laufzeit t _el im Lichtimpuls- Wiederholer und deren Schwankungen lassen sich schließlich durch die Verwendung optischer Lichtimpuls-Wiederholer gemäß den Merkmalen der Ansprüche 18-20 im Rahmen der Meßgenauigkeit 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.

Die vorgenannten Merkmale und weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigen:

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

Fig. 2 die Abhängigkeit der Signallaufdauer in dem durch die optische Faser und den Lichtimpuls-Wiederholer gemäß Fig. 1 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 optischen Faser mit schwacher Ankopplung an den Lichtimpulssender,

Fig. 5 eine der faseroptischen Anordnung gemäß Fig. 1 ähnliche faseroptische Anordnung mit einem als optischen Verstärker ausgebildeten Lichtimpuls-Wiederholer und

Fig. 6 eine erfindungsgemäße faseroptische Meßanordnung mit einem Meß-Signalpfad und einem Referenz-Signalpfad.

Die in den Fig. 1 und 2-6 dargestellten faseroptischen Meßanordnungen haben den Zweck, für die verschiedensten Einflußgrößen charakteristische Dimensionen und Dimensionsveränderungen von Körpern entlang beliebiger Wege oder Kurven möglichst genau zu erfassen und dadurch Rückschlüsse auf die Werte und Änderungen dieser Einflußgrößen ziehen zu können.

Die in der Fig. 1 dargestellte faseroptische Meßanordnung 10 eignet sich insbesondere für eine Wegmessung längs einer in sich geschlossenen Kurve, beispielsweise entlang des kreisförmigen 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 Warnsignal auslöst, wenn der Druck im Tank und damit dessen Umfangslänge einen kritischen Grenzwert überschreitet. Im einzelnen ist die faseroptische Meßanordnung 10 wie folgt aufgebaut:

Entlang des zu überwachenden, geschlossenen Weges der Länge L ist eine elastisch dehnbare, monofile optische Faser 11 fest verlegt. Ihre Dehnbarkeit beträgt einige Prozent ihrer Länge. 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 hat (typische Werte des Durchmessers liegen zwischen 30 und 200 µm) ist der zu überwachende Weg durch den durch die optische Faser 11 gebildeten Signalpfad 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 _opt = L/v, wobei v die Gruppengeschwindigkeit des Lichtes in der optischen 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 Lichtimpuls-Wiederholer 14 umfaßt einen spannungsgesteuerten Lichtimpulssender 16, der für Spannungsimpulse Lichtimpulse entsprechender Dauer und analoger Form aussendet, die an dem einen Ende 12 in die optische Faser eingespeist werden. Weiter umfaßt der Lichtimpuls-Wiederholer 14 einen photoelektrischen Empfänger 17, der die nach der Laufzeit t _opt am anderen Ende 13 der optischen Faser 11 eintreffenden Lichtimpulse in für diese analoge Spannungsimpulse umwandelt. Da die von dem Lichtimpulssender 16, beispielsweise einer GaAs-Laser-Diode erzeugten Lichtimpulse auf ihrem Weg durch die optische Faser 11 aufgrund der Moden- und Materialdispersion etwas "auseinander laufen", ist auch die Impulsdauer der elektrischen Ausgangsimpulse des Empfängers 17 etwas größer als die Dauer der primären Lichtimpulse. Um trotzdem für die Messung Lichtimpulse definierter Dauer und Form zur Verfügung zu haben, ist ein den Lichtimpulssender 16 triggernder Impulsformer 18 vorgesehen, der die Ausgangsimpulse eines die Empfänger-Ausgangssignale verstärkenden Verstärkers 19 in Triggerimpulse definierter Dauer und Form umwandelt. Der den Empfänger 17, den Verstärker 19, den Impulsformer 18 und den Lichtimpulssender 16 umfassende Lichtimpuls-Wiederholer 14 ist mit einer Laufzeit t _el behaftet, die sich mit der Laufzeit t _opt der Lichtimpulse in der Faser 11 zur Gesamt-Signallaufzeit

T = t _opt + t _el (1)

ergänzt. Dies ist dann auch die Periodendauer, mit der nach dem Auslösen eines ersten Lichtimpulses 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 Laufzeit t _el des Signals im Lichtimpuls-Wiederholer 14 gemäß der Beziehung

L = v(T-t _el) (2)

die Länge L der optischen Faser 11 bestimmen läßt, möglichst genau messen zu können, ist eine Periodendauer- Meßeinrichtung 21 vorgesehen, mit der durch Mittelung über eine große Anzahl von Signalumläufen der Periodendauer T und/oder die Impulsfolgefrequenz der Signalimpulse mit großer Genauigkeit bestimmbar ist. Diese Periodendauer- Meßeinrichtung enthält einen ebenfalls 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 22 einen vorgebbaren Zählerstand erreicht hat. Der Zählerstand des Zeitimpulszählers 23 ist dann direkt der über die vom Impulszähler 22 gezählten Anzahl von Signalumläufen 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 _el im Lichtimpuls-Wiederholer 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 Gruppengeschwindigkeit v des verwendeten Signallichts aus den bekannten Brechungsindex- Daten der Faser entnehmbar ist, so daß es, um schließlich die Beziehung (2) auswerten zu können, genügt, die Periodendauer T zu messen. Ist der Anteil t _el der Umlaufperiodendauer T einmal ermittelt, dann ist die Anordnung gemäß Fig. 1 ein für allemal geeicht, wobei die Eichung nur noch mit einem durch Schwankungen des Laufzeitanteils t _el bedingten Fehler behaftet ist, der aber durch einen geeigneten 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 Lichtimpuls-Wiederholer 14 mittels einer Temperatur-Regeleinrichtung auf konstanter Betriebstemperatur zu halten.

Um die mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 erreichbare Meßgenauigkeit zu testen, wurde eine Quarzfaser mit einer Länge L = 200 m benutzt. Diese Quarzfaser war in 40 Windungen um zwei achsparallele Trommeln mit einem Durchmesser von etwa 14 cm gelegt, deren mittlerer Abstand 2 m betrug und definiert verändert werden konnte. Die Quarzfaser war eine von der Firma SEL gelieferte, sogenannte Gradientenfaser, deren wirksamer Brechungsindex etwa 1,46 ist. Als Sendediode wurde eine GaAs-Laser-Diode verwendet, deren Lichtimpulse eine Impulsdauer von 6 ns mit Anstiegs- und Abfallzeiten von ca. 1 ns hat. Die Wellenlänge der von der GaAs-Laser-Diode emittierten Lichtimpulse ist 905 nm, was einer Gruppengeschwindigkeit v in der Quarzfaser von etwa 2,1 × 10⁸ m/sec entspricht. Die Laufzeit t _el im Lichtimpuls-Wiederholer betrug 40 ns, so daß sich insgesamt eine Umlaufperiodendauer T von etwa 1 µs ergibt. Mit einem kommerziellen elektronischen Zähler, für den als Vergleichsnormal ein Quarzoszillator diente, konnte die Periodendauer T durch Mittelung über 10⁶ Umlauf- Periodendauern T, was einer Gesamtmeßzeit von 1 sec entspricht, mit einer Genauigkeit von etwa 10^-12 s gemessen werden. Die Konstanz der Periodendauer T, die im wesentlichen durch die Konstanz des Laufzeitanteils t _el im Lichtimpuls- Wiederholer bestimmt ist, betrug ±1 ps, was einer Genauigkeit der Längenmessung von etwa ±0,2 mm entspricht.

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

Als Abszisse ist die Längenänderung Δ l der 200 m langen Quarzfaser in mm und als Ordinate die Umlaufperiodendauer T in µs, jeweils in linearem Maßstab aufgetragen. Der gemäß der Beziehung (2) zu erwartende lineare Zusammenhang zwischen der Änderung Δ 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 Meßanordnungen sehr gut zur Erfassung eine Dehnung der Faser bewirkender Einflußgrößen geeignet sind, beispielsweise von Kräften, die direkt oder über eine mechanische Übertragungseinrichtung, die der Faser einen geeigneten Dehnungshub aufprägt, 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, so daß man im Beispiel der 200 m langen Faser einen Meßbereich von einigen Metern zur Verfügung hat, der bei der erwähnten Längenmeß-Genauigkeit von ±0,2 mm somit sehr genau erfaßbar ist. Je nach dem Durchmesser der verwendeten Fasern können Kräfte im Bereich zwischen ca 1 p und 100 kp auch direkt in eine optische Faser eingeleitet werden, die in einem dem geschilderten Laboraufbau ähnlichen Aufbau angeordnet ist. Bei der Messung von Weglängen und Weglängenänderungen spielt hingegen 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 Außendurchmesser von beispielsweise 200 µm verwenden, um die Bruchgefahr 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 50 µm zweckmäßig, um die Rückwirkung der Meßanordnung auf das Meßobjekt infolge der elastischen Spannung der Faser gering zu halten.

Günstige Eigenschaften optischer Glasfasern, die sich mit Vorteil bei der Meßanordnung 10 gemäß Fig. 1 und in Anordnungen gemäß den noch zu beschreibenden Fig. 2-6 ausnutzen zu lassen, sind auch die folgenden: Glasfasern haben im Vergleich zu den meisten anderen Materialien einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, was besonders günstig für ihre Verwendung zur absoluten Längenmessung ist. Speziell Fasern aus Quarzglas haben eine relative Wärmedehnung von nur

Die hieraus folgenden Meßfehler sind daher vernachlässigbar klein gegen den Temperaturkoeffizienten der Gruppengeschwindigkeit

der bei etwa 5 × 10^-6K^-1 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 Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern, wie sie z. B. in der Nähe elektrischer Maschinen auftreten können. Weiter ist eine faseroptische Längen- bzw. Längenänderungsmeßanordnung auch noch bei extrem niedrigen und hohen Temperaturen geeignet. Fasern aus Quarzglas können beispielsweise vom absoluten Nullpunkt an bis etwas unterhalb ihres Transformationspunktes (Tg ≅ 1700°K) ohne nennenswerte Beeinträchtigung ihrer optischen Eigenschaften benutzt werden. Erwähnenswert ist auch die Unempfindlichkeit von Quarzglas- Fasern gegen ionisierende Strahlung, so daß die erfindungsgemäße Anordnung auch für Messungen in Kernreaktoren geeignet ist.

Die Fig. 3 zeigt eine faseroptische Anordnung 30, die derjenigen gemäß Fig. 1 weitgehend analog ist. Demgemäß sind identische oder funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen belegt.

Auch bei der faseroptischen Anordnung 30 gemäß Fig. 3 sind eine optische Faser 31 und ein Lichtimpuls-Wiederholer 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. 1 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 Lichtimpulssender 16 über die Faser zum Empfänger 17 des Lichtimpuls- Wiederholers 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, so daß sie am Empfänger- bzw. Sendernahen Ende der optischen Faser 31 empfangen werden können. Zur Auskopplung der zurücklaufenden Lichtimpulse aus dem optischen Signalpfad auf die Empfängerdiode 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 Sendediode 16 so angeordnet ist, daß die 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.

Dies gilt natürlich auch für die faseroptische Anordnung 40 gemäß Fig. 4, die eine besonders interessante Abwandlung der Anordnung 30 gemäß Fig. 3 darstellt. Funktionsgleiche Teile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 belegt. Hinsichtlich 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. Empfängernahen Ende 34 durch einen schwach durchlässigen Spiegel 41, der beispielsweise eine Durchlässigkeit von etwa 10% hat, abgeschlossen ist. Dies hat, für sich allein gesehen, zur Folge, daß ein zu einem Zeitpunkt t₀ eingespeister primärer Lichtimpuls mehrfach in der Faser 31 hin und her reflektiert wird, wobei seine Amplitude exponentiell abnimmt, da bei jedem Auftreffen 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 den Lichtimpuls-Wiederholer zirkulieren zu lassen, so hat man auf einfache Weise die den Meßfehler bestimmenden Schwankungen der Laufzeit t _el im Lichtimpuls-Wiederholer 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 Meßzeiten zur Folge und die Anordnung wäre auch empfindliche gegenüber Schwankungen der Intensität der Primärimpulse. Diese an sich nicht gravierenden Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermeiden, daß der Lichtimpuls-Wiederholer 42 gemäß Fig. 4 einen Regelkreis 43 enthält, der die elektronisch beeinflußbare Laufzeit t _el so einstellt, daß diese gleich der Laufzeit t _opt der Lichtimpulse in der optischen Faser 31 ist. Ein solcher Regelkreis kann mit bekannten elektronischen Mitteln realisiert werden, beispielsweise dadurch, daß aus einem Phasenvergleich der vom Impulsformer 18 ausgesandten Triggerimpulse mit den Ausgangsimpulsen des Empfängerverstärkers 19 ein die Frequenz eines den Impulsformer 18 ansteuerenden spannungsgesteuerten Oszillators kompensatorisch beeinflussendes Steuersignal abgeleitet wird, so daß dessen, den Impulsformer 18 beaufschlagendes Ausgangssignal stets eine der Laufzeit t _opt der Lichtimpulse in der optischen Faser 31 entsprechende Periodendauer T hat. Die faseroptische Anordnung 40 ist dann in der Resonanz betrieben und die vom Empfänger 17 nachzuweisenden Lichtimpulse haben dieselbe Intensität. Regelt man die Frequenz des den Impulsformer 18 ansteuernden Oszillators auf einen Wert, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der mit der Laufdauer t _opt 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 Fig. 5 dargestellten faseroptischen Anordnung 50, deren optische Faser 51 ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 längs eines geschlossenen Weges verlegt ist, ist als Lichtimpuls-Wiederholer 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 bekannte mit Nd³⁺-Ionen dotierte Glasfaser (Optical Electronics II. Bd. 18, No. 1, S. 86, 87, Juli 1976) 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 Ausgangssignal dieser Diode 56 wird von einer Periodendauer-Meßeinrichtung 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 Verstärkers 52 als Lichtimpuls-Wiederholer 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 Fig. 1, 3 und 4 auch diese mit einem optischen Verstärker als Lichtimpuls- Wiederholer 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. 1 mit einer faseroptischen 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 ist, als Referenz-Signalpfad dient. Sie ist so angeordnet, daß sie 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 Impulswiederholer 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 zugeordneten 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, so daß sein End-Zählerstand am Ende einer Messung nicht nur den Betrag der erfaßten Längenänderung des überwachten Weges sondern auch den Änderungssinn dieses Weges wiedergibt.

Natürlich kann man die Meßsignalpfad-Referenzsignalpfadkombination einer der Fig. 6 analogen Anordnung mit beliebigen Kombinationen der erläuterten Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 3-5 verwirklichen, und es versteht sich auch, daß Maßnahmen, die nur in Verbindung mit einer der genannten Anordnungen beschrieben sind, auch bei den anderen verwirklicht sein können. Insbesondere kann es für die genaue Bestimmungen der Periodendauer bzw. der Folgefrequenz, mit der die umlaufenden Signale behaftet sind, zweckmäßig sein, wenn der Impulsformer des Lichtimpuls-Wiederholers bei seiner Aktivierung ein in charakteristischer Weise kodiertes "Impulswort" d. h. eine charakteristische Folge von Ausgangsimpulsen erzeugt, durch deren empfängerseitige Dekodierung ein einzelner Impuls zur erneuten Aktivierung des Impulsformers erzeugt wird. Man kann dann diese für das Auftreten einer bestimmten Impulskombination charakteristischen Dekodier- Impulse zählen und aus deren Anzahl bzw. zeitlichem Abstand die Umlaufperiodendauer T sehr genau ermitteln.

Claims (21)

1. 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 Längenmeßeinrichtung, mit der ein mindestens für die Weglängenänderung charakteristisches elektrisches Anzeigesignal erzeugbar ist, wobei der der Längenänderung unterworfene Weg durch eine elastisch dehnbare optische Faser markiert ist, die mit einer Mindestvorspannung entlang des Weges geführt und mindestens abschnittweise an mit der Längenänderung des Weges einer Positionsveränderung unterworfenen Stützstellen zugfest gehalten ist, und wobei deren Grundlänge im vorgespannten Zustand bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach dem für sich bekannten Prinzip der Laufzeitmessung arbeitende Meßeinrichtung vorgesehen ist, die einen zusammen mit der optischen Faser einen geschlossen Signalpfad bildenden, Lichtimpulssender (16) und einen -Empfänger (17) enthaltenden Lichtimpuls-Wiederholer (14; 42; 52) umfaßt, der mit der Periodizität der Umlaufdauer T = t _opt + t _el des Signalpfades in diesem zirkulierenden Signalimpulse erzeugt, aus deren elektronisch gemessener Gesamtlaufdauer und -anzahl das elektrische Anzeigesignal ableitbar ist, wobei mit t _opt der durch die Faserlänge bedingte Anteil der Laufzeit der Signalimpulse an der Umlaufdauer T und mit t _el deren durch die Aktivierung des Lichtimpuls-Wiederholers (14) bedingte Laufzeitanteil bezeichnet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufzeitanteil t _opt der Signalimpulse an der Periodendauer T der Signalimpulsfolge groß ist gegen den Laufzeitanteil t _el.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den ersten von dem Lichtimpuls- Wiederholer (14; 42; 52) erzeugten Impuls initiierenden und gleichzeitig einen die Ausgangsimpulse eines quarzgesteuerten Oszillators zählenden Zeitimpulszähler (23) sowie einen die in dem Signalpfad zirkulierenden Impulse zählenden Signalimpulszähler (22) aktivierende Starteinrichtung (20) vorgesehen ist, und daß der Signalimpulszähler (22) nach Erreichen eines vorgebbaren Endzählerstandes einen den Zeitimpulszähler entaktivierenden Stoppimpuls erzeugt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Laufzeit t _opt bei einer Umlaufdauer von 1 µs mindestens zwanzig Mal größer ist als die Laufzeit t _el im Lichtimpuls-Wiederholer (14; 42; 52) und daß das Zählzeitintervall etwa 1 sec. ist.

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

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpulssender (16) des Lichtimpuls-Wiederholers (14; 42; 52) eine lichtemittierende Diode ist, die mit den Ausgangsimpulsen 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 Detektors (17) empfängt.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulssender (16) durch Ausgangssignale einer Diskriminatorschaltung getriggert ist, die ein bestimmtes Verhältnis der Signalamplitude der am Empfänger (17) empfangenen Lichtsignale zu deren Maximalamplitude markieren.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpulssender (16) durch die Ausgangsimpulse eines auf die Vorder- und Rückflanken der Ausgangsimpulse des Empfängers (18) ansprechenden Flankendetektors getriggert ist, dessen Ausgangssignale in einer definierten zeitlichen Relation zum zeitlichen Schwerpunkt der empfangenen Impulse stehen.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpuls-Wiederholer (14; 42) innerhalb einer Umlaufdauer T eine mehrere Lichtimpulse umfassende Impuls-Kombination erzeugt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse mit in erster Näherung gleichen Impulsintervallen über mindestens einen Teil der Umlaufdauer verteilt sind.

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

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (11; 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 Impulslichts etwa 1,3 µm ± 0,05 µm 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 Ende (34) 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 Ende (34) durch einen schwach durchlässigen Spiegel abgeschlossen ist, der den größten Teil des aus der Faser austretenden Lichts wieder in die Faser zurück reflektiert.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Laufzeit t _el der Empfänger-Senderstrecke des Lichtimpuls-Wiederholers (42) gleich der optischen Laufzeit t _opt der Lichtimpulse in der optischen Faser oder gleich einem Stammbruch oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Laufzeit t _opt ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz der vom Lichtimpulssender (16) erzeugten Lichtimpulse durch die Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators bestimmt ist, der als den Wert diese Ausgangsfrequenz bestimmendes Eingangssignal das Ausgangssignal eines phasenempfindlichen Detektors empfängt, der aus dem Vergleich der Phasenlage des Ausgangssignals des Impulsformers (18) mit dem Ausgangssignal des Empfängerverstärkers (19) ein dem Phasenunterschied zwischen diesen Signalen proportionales Steuersignal zur kompensatorischen Frequenzänderung des Oszillators erzeugt.

18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpuls-Wiederholer 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 Nd³⁺-Ionen dotierten 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 zusätzlich zu einem Meßsignalpfad ein gleichzeitig mit diesem aktivierbarer und entaktivierbarer Referenz-Signalpfad (30) vorgesehen ist, dessen optische Faser (31) eine einem mittleren Wert der optischen Länge der Faser (11) des Meßsignalpfads (10) entsprechende optische Länge hat.