DE2920489A1

DE2920489A1 - Faseroptisches messgeraet

Info

Publication number: DE2920489A1
Application number: DE19792920489
Authority: DE
Inventors: Torgny Brogaardh; Leif Stensland
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1978-06-02
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1979-12-06
Also published as: CH638892A5; SE7812949L; FR2427584A1; IT7968185A0; SE415397B; GB2025608B; FR2427584B1; US4281245A; IT1118707B; CA1117312A; GB2025608A

Description

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein großes Problem bei solchen Meßgeräten stellt die mangelnde Stabilität der Eigenschaften (Parameter) der Fasern und optischen Bauteile dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der genannten Art zu entwickeln, dessen Meßwerte von den genannten Instabilitäten weitgehend unabhängig sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein faseroptisches Meßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

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Ein Meßgerät gemäß der Erfindung ist stabil und ist für faseroptische Geber universell verwendbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart ist das Filter derart angeordnet und aufgebaut, daß in dem vom Geber weitergegebenen Licht innerhalb mindestens eines Wellenlängenbereichs ein Lichtsignal vorhanden ist, welches von der Meßgröße weniger abhängig ist, als das in einem anderen Wellenlängenbereich vom Geber weitergegebene Licht. Hierdurch werden ein stabiles Messen und eine hohe Meßgenauigkeit erreicht.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, bei der die Faser einerseits Licht von einer oder mehreren Lichtquellen in der Elektronikeinheit zum Geber und andererseits vom Geber zu einem

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oder mehreren Lichtdetektoren in der Elektronikeinheit leitet, enthält der Geber mindestens ein optisches Interferenzfilter, das direkt oder indirekt von der zu messenden physikalischen Größe beeinflußt wird und unter diesem Einfluß das Licht im Geber moduliert. Bei dieser Ausführungsform wird von der zu messenden physikalischen Größe die optische Wellenlänge des Lichtes in den Interferenzschichten des Interferenzfilters verändert. Man erhält Verschiebungen der Transmissions- und Reflexionsspektren, wodurch bei geeigneter Wahl der Meßlichtwellenlänge Lichtsignale erzeugt werden, die in der Elektronikeinheit in eine Meß- und eine Stabilisierungskomponente zerlegt werden können.

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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele und Diagramme soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Meßgerät gemäß der Erfindung mit zwei Lichtquellen.

Fig. 1a Ein Faserende im Elektronikteil,

Fig. 1b ein temperaturstabilisiertes Meßgerät gemäß der Erfindung.

Fig. 2 Ein Meßgerät mit Frequenzmultiplexstabilisierung.

Fig. 3 Ein Meßgerät gemäß der Erfindung, bei dem das Licht von Filtern in den Fotodetektoren in zwei Wellenlängenbereiche aufgeteilt wird.

Fig. 4 Ein Meßgerät gemäß der Erfindung mit elektronischer "Matchingstabilisierung" der Lichtquellen usw,

Fig. 4a zwei verschiedene Filter anordnungen für die Foto- und 4b detektoren.

Fig. 5a Verschiedene Beispiele für das Anbringen von Sensoren.

- 51

Fig. 6 Kurven für verschiedene Spektralverteilungen bei der

- 9 Anwendung verschiedener Filter und Lichtmodulatoren. Fig. 10 Eine andere Ausführung eines Meßgerätes gemäß der Erfindung.

Fig. 11 Die Emissionskurven der Lichtquellen und die Transmissionskurve des Filters für das Meßgerät gemäß Fig. 10.

Fig. 12 Eine Alternative zu Fig. 10.

Fig. 13 Die Emissionskurven der Lichtquellen und die Transmissionskurven der Filter für das Meßgerät gemäß §0984l/ÖS3S

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Fig. 12.

Fig. 14 Verschiedene Filterausführungen für die Meßgeräte gemäß Fig. 10 und 12.

Figur 1 zeigt ein Meßgerät nach der Erfindung mit zwei Lichtquellen 1 und 2, die Licht mit verschiedenen Wellenlängehbereichen (Maximum bei der Wellenlänge Λ₁ beziehungsweise A₁J) in die lichtleitenden Fasern 3 beziehungsweise 4 senden, die über eine Verzweigung in der Faser 5 zusammenlaufen. Die Elektronikeinheit wird von dem gestrichelten Rechteck E begrenzt, während die Gebereinheiten von dem Rechteck G begrenzt werden. Von der Faser 5 wird ein Teil des Lichtes über die Faser 6 zum Lichtdetektor 18 der Elektronikeinheit E geleitet, und der Fotostrom des Lichtdetektors wird vom Verstärker 19 verstärkt und einem Summierungsglied 20 zugeführt, auf dessen zweiten Eingang eine Bezugsspannung 21 (V _f) gegeben wird. Die am Ausgang des Summierungsgliedes auftretende Differenz der beiden Eingangsgrößen wird als Fehlersignal auf einen Regler 22 gegeben, der die Leuchtdiode 1 über das Speiseglied 24 oder die Leuchtdiode 2 über das Speiseglied 25 steuert, was von der Stellung eines Schalters 23 abhängt. Durch diese Regelung wird erreicht, daß das Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten der Leuchtdioden 1 und 2 konstant bleibt. Die Lage des Schalter wird vom Oszillator 17 gesteuert. Von der Faser 5 gelangt ein Teil des Lichtes der Leuchtdioden 1 und 2 in die Faser 7. Die

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Faser 7 führt zum Geber G, der in Figur 1 aus einem optischen Filter 9 in einem Spalt 8 zwischen der lichteinleitenden Faser 7 und einer lichtfortleitenden Faser 10 besteht, die das Licht vom Geber G zum Lichtdetektor 11 in der Elektronikeinheit leitet. Das Ausgangssignal des Lichtdetektors 11 wird im Verstärker 12 verstärkt, und mittels des Schalters 26 abwechselnd den ^rtsampleand-hold"-Gliedern 13 und 14 zugeführt, und zwar in demselben Takt, wie der Schalter 23 die Leuchtdiode 1 bzw. 2 einschaltet. Der Kontakt 26 wird wie der Kontakt 23 vom Oszillator 17 gesteuert. Dadurch erscheint am Ausgang des Gliedes 13 ein Wert für die Intensität des Lichtes der Leuchtdiode 1, nachdem dieses Lint die Lichtleiter 3, 5, 7, 10 und den Geber G passiert hat. Am Ausgang des Gliedes 14 erscheint ein Wert für die Intensität des Lichtes der Leuchtdiode 2, nachdem dieses Licht die Lichtleiter 4, 5, 7, 10 und den Geber G passiert hat. Im Geber wird die Lage des optischen Filters 9 von der jeweiligen Meßgröße (z.B. Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Druck, Dehnung, Temperatur) bestimmt. Durch derartige Wahl des Filters 9, daß das Licht von der Leuchtdiode 1 stärker von der Bewegung des Filters 9 beeinflußt wird als das Licht von der Leuchtdiode 2, erhält man nach der Quotientenbildung im Divisionsglied 15 ein Signal, das abhängig von der Meßgröße, jedoch unabhängig von Veränderungen der die Faseroptik und die Optoelektronik im Meßgerät charakterisierenden Parametern ist. Das Ausgangssignal des Divisionsgliedes 15 wird einem registrierenden oder anzeigenden Gerät 16 zugeführt, welches somit die Meßgröße mitteilt.

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Eine Voraussetzung dafür, daß das beschriebene Verfahren eine vollständige Kompensation von microbending-rVariationen in der Faseroptik herbeiführt, besteht darin, daß man von den beiden Leuchtdioden 1 und 2 dieselben Mod-Gruppen erhält, da das microbending (kleine Biegungen der Glasfasern) andernfalls das Licht der beiden Leuchtdioden unterschiedlich beeinflußt, was zur Folge haben würde, daß der Quotient des Divisionsgliedes 15 nicht konstant wäre. Um identische Mod-Gruppen zu bekommen, werden Leuchtdioden mit derselben Strahlungsverteilung gewählt, und eventuell wird eine Mod-Mischung durch eine zweckmäßige Biegung der Fasern 3 und 4 vorgenommen. Wenn Leuchtdioden mit gut definierten Lichtverteilungen benutzt werden, dann können diese nebeneinander vor dem Ende der Faser 5 montiert werden, wie es Figur 1a zeigt. Dadurch wird eine faseroptische Verzweigung gespart.ι Hierbei besteht auch die Möglichkeit, die Fotodiode 18 in der Nähe der Leuchtdioden 1 und 2 anzubringen, wodurch die Faser 6 überflüssig wird. Eventuell kann das Ende der Faser 5 zwecks erhöhter Lichtaufnahme vor den Leuchtdioden •konisch ausgebildet sein. Um zu garantieren, daß die Wellenlängenverteilung des Lichtes der Leuchtdioden konstant ist, kann zur Temperaturstabilisierung der Leuchtdioden ein Temperaturregler verwendet werden.

Figur 1b zeigt einen Temperaturregler, der entweder von der Temperatur der Lichtquelle oder von der Spektralverteilung des

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von der Lichtquelle kommenden Lichtes gesteuert werden kann. Wie letzteres erfolgen kann, ist in Figur 1b gezeigt, wo ein Teil des Lichtes von der Lichtquelle 1 über die Faser 5 und die Grenzfläche zwischen den Fasern 5 und 7 über das Filter 81 zum Fotodetektor 82 gelangt. Das Filter 81 wird so gewählt, daß seine Transmissionskurve eine Flanke hat, die das Lichtspektrum der Lichtquelle 1 schneidet, so daß eine Veränderung des Spektrums der Lichtquelle 1 eine Veränderung des Fotostroms des .Detektors 82 verursacht. Durch die Rückführung über den Verstärker 83, das Summierungsglied 84, den Regler 85 und das Speiseglied zum Peltierelement 87 erhält man die gewünschte Temperaturstabilisierung. In Figur 1b wird ferner gezeigt, wie ein und dieselbe Lichtquelle zur Erzeugung der verschiedenen Wellenlängenbereiche, die für die Anordnung erforderlich sind, benutzt werden kann. Wenn der Schlater 23 in der unteren Stellung steit, so wird das Licht der Lichtquelle 1 auf einen Wert geregelt, der V₁- entspricht, wobei die Lichtquelle 1 als Leuchtdiode arbeitet und breitspektral sendet und wobei das Licht in dem lichtmodulierenden Filter 9, der vom Interferenztyp ist (siehe Figur 1), sowohl reflektiert wie transmittiert wird. Wenn sich der Schalter in der oberen Stellung befindet, wird das Licht auf einen Wert geregelt, der V^ ~ und ^ref entspricht, wobei die Lichtquelle q als Laserdiode arbeitet und ein schmales Spektrum sendet, das in Abhängigkeit von der Wahl des Filters entweder in das Filter 9 reflektiert wird oder transmittiert wird.

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Um bei verschiedenen Gelegenheiten unterschiedliche Spektren zu erzeugen, kann auch ein sogenannter abstimmbarer Diodenla^er verwendet werden. Indem man die Wellenlänge des Diodenlasers über die spektrale Transmissionskante des Filters 9 moduliert (siehe Figur 1), erhält man mehr oder weniger von der Bewegung des Filters abhängige Lichtsignale, die auf bereits beschriebene Weise zur Stabilisierung des Meßgerätes benutzt werden können.

Figur 1 zejgt eine Anordnung, bei der die Stabilisierung von Optoelektronik und Faseroptik durch Zeitmultiplexing von zwei Leuchtdioden und Quotientenbildung zwischen den Lichtkomponenten des Gebers vorgenommen wird, die von den zwei Leuchtdioden stammen. In Figur 2 wird die Stabilisierung durch Frequenzmultiplexing anstelle von Zeitmultiplexing und durch Verstärkungsregelung anstelle von Quotientenbildung durchgeführt. Das Licht von den Leuchtdioden 1 und 2 passiert hier jeweils ein optisches Filter 27 beziehungsweise 28, damit man gut getrennte Spektralverteilungen (mit Maximum bei der Wellenlänge A₁ beziehungsweise ¹^₂) erhält, bevor das Licht über die Fasern 3 und 4 in der Faser 5 zusammengeführt wird. Auf gleiche Weise wie in Figur 1 wird ein Teil des Lichtes von der Faser zur Faser 6 und zum Lichtdetektor 18 geleitet, dessen Ausgangssignal von Verstärkern 19 verstärkt wird. Die Leuchtdioden 1 und 2 werden von den Oszillatoren 40 bzw. 41 mit verschiedenen Frequenzen f^und f₂ moduliert, weshalb das Ausgangssignal

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des Verstärkers 19 von den Bandpaßfiltern 33 und 34 in zwei Komponenten zerlegt werden kann, wobei das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 33 von der Leuchtdiode 1 -— - und das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 34 von der Leuchtdiode 2 stammt. Nach Demodulation in den Demodulationsgliedern 35 und 36 wird die Differenz aus den beiden Komponenten vom Summierungsglied 37 gebildet und dem Regler 38 zugeführt, der den regelbaren Verstärker 39 derart steuert, daß das·Ausgangssignal des Summierungsgliedes 37 auf Null geregelt wird. Dadurch erhält man eine Matchingskompensation der Leuchtdioden 1 und 2. Ein Teil des Lichtes von der Faser 5 wird über die Faser 7 zum Geber 32 geleitet, bei dem es sich in diesem Fall um einen Druckgeber mit einer reflektierenden, druckabtastenden Membran 31 handelt. Zwischen der Membran 31 und der'· Endfläche der Faser befindet sich ein optisches Filter, das unterschiedliche Mengen des Lichtes von den beiden Leuchtdioden 1 und 2 reflektiert und transmittiert. Ein Teil des Lichtes, das entweder nach der Reflexion am Filter 30 oder nach der Transmission durch das Filter 30 und Reflexion an der spiegelnden Membcan 31 in die Faser 7 zurückreflektiert wird, wird in die Faser 10 und auf den Lichtdetektor 11 geleitet. Dessen Ausgangssignal wird im Verstärker 12 verstärkt und durch die Filter 45 und 46 in zwei Komponenten zerlegt, die von den Leuchtdioden 1 beziehungsweise herrühren. Nach der Demodulation im Demodulationsglied 47 wird das Signal mit der Modulationsfrequenz f,. im Summierungsglied 49 mit einem Bezugssignal V _f verglichen, und die er-

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haltene Differenz wird dem Regler 50 zugeführt, der die Tandemverstärker 42 und 43 steuert. Alternativ (siehe die gestrichelte Verbindung 44) kann die Ausgangsgröße des Reglers den Verstärker 12 steuern. Durch diese Regelung werden Parametervariationen in der Faseroptik und der Optoelektronik im Meßgerät kompensiert. Das kompensierende Meßsignal erhält man nach der Demodulation des Ausgangssignals vom Filter 46 über den Wandler 48, und das Meßsignal kann am Anzeigegerät 16 abgelesen werden.

Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der die Aufteilung des Lichtes in zwei Wellenlängenbereiche, die sich überlappen können, auf der Detektorseite anstelle auf der Lichtquellenseite, wie in den Figuren 1 und 2, geschieht. Das Licht von der Lichtquelle wird über die Faser '3 und die Faser 7 zum Geber 55 geleitet, der aus temperaturempfindlichem Material besteht, das im Lichtstrahlengang zwischen dem optischen Filter 30 am Faserende und dem Spiegel 31 angebracht ist. Das Material kann zum Beispiel ein Halbleiter sein, dessen Bandabstand und somit Lichtabsorption von der Temperatur abhängig ist. Das vom Filter 30 und dem Spiegel 31 reflektierte Licht wird zurück in die Faser geleitet, von wo aus ein Teil des Lichts über die Fasern 10, 56 und 57 zu den Filtern 53 und 54 und zu den Lichtdetektoren 11 und 51 geht. Die Filter 53 und 54 sind so beschaffen, daß der Filter 53 mehr von dem Licht hindurchläßt, das direkt vom Filter 30 reflektiert wird, während das Filter 54 mehr von dem

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Licht hindurchläßt, das den Filter 30 transmittiert, vom Sensor 55 beeinflußt wird und vom Spiegel 31 in die Faser 7 reflektiert wird. Somit wird das Ausgangssignal des Lichtdetektors 11 nach Verstärkung im Verstärker 12 und Vergleich mit einem Bezugssignal V- im Summierungsglied 49 dazu benutzt, die Lichtquelle 1 über den Regler 50 so zu steuern, daß man eine Kompensation für die Instabilität der Faseroptik und Optoelektronik erhält. Das Signal vom Lichtdetektor 51 ist das Meßsignal, und dieses hat durch die vorstehend beschriebene Regelung eine reduzierte Abhängigkeit von der Instabilität der Optoelektronik und Faseroptik. Als Lichtquelle wird zweckmäßigerweise eine Leuchtdiode mit großer Halbwertbreite benutzt, alternativ werden zwei Leuchtdioden mit getrennten Spektralverteilungen benutzt, die die optischen Filter 30, und 54 "matchen", d.h. mit deren Spektralverteilungen übereinstimmen.

Im Meßgerät nach Figur 3 ist ein gutes matching (Übereinstimmung) zwischen den Fotoelektroden 11 und 51 erforderlich. Wenn dieses matching nicht genügt, dann kann eine elektronische matching-Stabilisierung entsprechend Figur 4 vorgenommen werden, die gleichzeitig eine alternative Fotodioden-Anordnung zeigt. Der Oszillator 40 moduliert über das Speiseglied 24 die Lichtquelle 1, die über die Fasern 3 und 7 Licht zum Geber sendet, der aus einem optischen Filter 30 und einem druckempfindlichen Modulator 59 mit einer spiegelnden Rückseite 31 besteht und auf eine Kraftzelle 60 geleimt ist, die auf der Unterlage 61 ruht. Die Kraft F verursacht me-

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chanische Spannungen im Modulator 59, wodurch die Absorption für den benutzten Wellenlängenbereich verändert wird. Der Modulator kann beispielsweise aus einem Halbleiter mit druckabhängiger Lage des absorbierten Wellenlängenbereichs bestehen. Vom Geber wird somit einerseits vom Geber unbeeiruflußtes Licht, nämlich das vom Filter 30 reflektierte Licht,

und andererseits vom Geber beeinflußtes Licht, nämlich das durch den Filter 30 und den Modulator 59 transmittierte und am Spielgel 31 reflektierte Licht, in die Faser 7 zurückgeworfen und durch diese und die Fasern 10 und 58 weitergeleitet. An der Endfläche der Faser 58 befinden sich zwei Fotodioden 11 und 51, die durch einen Schirm 71 voneinander getrennt sind. Das auf die Fotodiode 11 gerichtete Licht wird von dem optischen Filter 53 filtriert, während das auf die Fotodiode 51 fallende Licht unfiltriert ist. Dies bedeutet, daß die Meßgröße bei zweckmäßiger Wahl der Lichtquelle 1 und der Filter 30 und 53 die Fotodioden 11 und 51 in unterschiedlichem Maße beeinflussen wird, so daß man nach Filtrierung in Filter 62 beziehungsweise 65, Demodulation im Demodulationsglied 63 beziehungsweise 66 und Quotientenbildung im Divisionsglied 15 ein Meßsignal erhält, das hinsichtlich der Instabilität der Optoelektronik und der Faseroptik kompensiert ist. Um den matching-Betrieb zwischen den Fotodioden 11 und 51 zu kompensieren, sendet die Lichtquelle 2 vom Oszillator 41 moduliertes Licht in die Faser 4 und über

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die Faser 58 zu den Fotodetektoren 11 und 51. Die Ausgangssignale der Verstärker 12 und 52 werden im Summierungsglied 67 verglichen, und das erhaltene Differenzsignal wird im Filter 68 im Hinblick auf das Signal von der Lichtquelle 2 filtriert, im Demodulationsglied 69 demoduliert und dem Regler 70 zugeführt, der den regelbaren Verstärker 64 so steuert, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 64 gleich dem Ausgangssignal des Verstärkers 12 im Hinblick auf die Signalkomponente mit der Frequenz f~ gehalten wird. Dadurch werden "gematchte" Detektorkanäle von den Gliedern 11 - 12 und 51 - 64 erreicht.

Als Alternative zu der Lichtdetektoranordnung, die in Figur 4 durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist, kann eine Anordnung nach Figur 4a oder 4b verwendet werden. In Figur 4a ist auch ein Filter 72 zwischen der Faser 58 und dem Fotodetektor 51 vorhanden, und in Figur 4b erfaßt der Fotodetektor 11 das durch den Filter 53 transmittierte Licht, während der Fotodetektor 51 das vom Filter 53 reflektierte Licht erfaßt.

Die Figuren 5a bis 5i zeigen eine Zusammenfassung verschiedener Sensoranordnungen, die in den betreffenden Gebern zur Anwendung kommen können. Außer in Figur 5f und 5j wird die Meßgröße in allen Fällen in eine mechanische Bewegung umgewandelt, die von Filtern, Spiegel- oder Diffusoranordnungen vollführt wird. In Figur 5a bewirkt das Filter 30

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in einem bestimmten Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtes eine dominierende Reflexion, die benutzt wird, ein von der Meßgröße wenig beeinflußtes Bezugssignal zu erzeugen, und in einem anderen Wellenlängenbereich bewirkt das Filter eine dominierende Transmission, die ein vom Spiegel oder Diffusor 31 zurückgeworfenes Meßsignal verursacht.

Ein Beispiel dafür, wie Lichtquellen und Filter für die Anordnung gemäß Figur 5a gewählt werden können, zeigen die Figuren 6a - 6d, die sich auf das Meßgerät gemäß Figur 2 beziehen. Figur 6a zeigt die Spektralverteilung der Lichtquellen 1 und 2. Die Überlappung der Spektren im Hinblick auf das Filter 30 wird durch die Filter 27 und 28 entsprechend Figur 6c und 6d verringert, wodurch das Licht von der Lichtquelle 1 nur zu einem kleinen Teil entsprechend der Reflexionskurve R in Figur 6b (Fig. 2) vom Filter 30 reflektiert wird, und das Licht von der Lichtquelle 2 wird nur zu einem kleinen Teil entsprechend der Transmissionskurve T in Figur 6b durch das Filter 30 transmittiert. Natürlich können die Filter 27 und 28 auch auf der Fotodetektorseite entsprechen Figur 3 oder 4a vorgesehen werden. Sämtliche Filter sind vorzugsweise als Mehrschichten-Interferenzfilter ausgebildet.

Die Meßgröße kann auch statt durch eine auf und ab gehende Bewegung des Spiegels oder Diffusors 31 wiedergegeben zu werden (siehe Pfeil in Figur 5a), durch eine Bewegung in

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seitlicher Richtung entsprechend Figur 5b wiedergegeben werden. Der Spiegel oder Diffusor 31 in den Figuren 5a und 5b kann entsprechend Fig. 5c und 5d durch ein Filter 73 ersetzt · werden, dessen Kennlinien entsprechend Figur 7c beschaffen sein können. Das Licht von der Lichtquelle 1 (um^ <.) wird durch das Filter 30 (Fig. 7b) transmittiert und vom Filter (Fig. 7c) reflektiert, während das Licht von einer Lichtquelle 2 (UInX₂) ^vom Filter 30 (Fig. 7b) reflektiert und durch das Filter 73 (Fig. 7c) transmittiert wird. Hierdurch erhält man eine bessere Trennung zwischen Bezugs- und Meßsignal des Gebers.

Eine weitere Modulatoranordnung zeigt Figur 5e, bei der sowohl das Filter 30 wie der Spiegel 31 beweglich sind. Dadurch, daß das Filter 30 Licht verschiedener Wellenlänge unterschiedlich stark reflektiert, was bei dem Spiegel oder Diffusor 31 nicht der Fainlist, erhält man sowohl Meß- wie Bezugssignale. Beachte den Abstand zwischen dem Faserende und dem Spiegel/Filter, wodurch eine Aussortierung von Moden höherer Ordnung sowie von Randstrahlen von der Faser erreicht wird.

Außer zum Abtasten mechanischer Bewegungen kann die Filtertechnik auch zum Abtasten von Veränderungen der Absorption eines Materials Ik entsprechend Figur 5f verwendet werden. Entsprechende Kennlinien zeigen die Figuren 8a bis 8c. Das Licht von der Lichtquelle 2 (Figur 8a) wird durch das FiI-

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ter 30 (Figur 8b) und zum gewissen Teil durch das Sensormaterial 74 (Figur 8c) transmittiert. Wieviel durch das Sensormaterial transmittiert wird, hängt von der Meßgröße ab, die z.B. eine Temperatur, einen Druck oder eine magnetische oder elektrische Feldstärke beschreiben kann, und bei einem Wert der Meßgröße kann die Transmission der Kurve T^ folgen, während sie bei einem anderen Wert der Meßgröße der Kurve T_? in Fig. 8c folgen kann. Das Licht von der Lichtquelle. 1 (Figur 8a) wird vom Filter 30 (Fig. 8b) reflektiert und vom Sensormaterial absorbiert, so daß nur eine sehr kleine Beeinflussung durch die Meßgröße stattfindet. Alternativ kann der Spiegel 31 ein reflektierendes Filter für eine weitere Wellenlängenseparation sein. Durch die Anwendung eines festen Filters 30 und mehrerer beweglicher Filter 73ι 74 usw. können Informationen über mehrere Meßgrößen auf dieselbe Faser 7 übertragen werden. In Figur 5g bewegen sich die beiden Filter 73 und 74 nach oben und unten, und in Figur 5h bewegt sich das Filter 73 in x-Richtung und das Filter 74 in y-Richtung. In Betracht kommende mögliche Filtercharakteristiken zeigen die Figuren 9a - 9d. Die Lichtquellen 1 (Figur 9a) verursacht im wesentlichen eine Reflexion im Filter 30 (Fig. 9b), während die Lichtquelle 2 eine Reflexion im Wellenlängenintervall "λ, bis *X , im Filter 73 (Fig. 9c) und im Wellenlängenintervall Tv 4 bis Λ 5 im Filter 74 (Fig. 9d) verursacht. Indem man die Fotodetektoren mit Filtern für die entsprechenden Wellenlängenintervalle versieht, können die individuellen Bewegungen der Filter 73 und 74 aus dem in die Faser 7 reflektierten Licht herausgelöst werden.

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Wenn Alisorptionsfilter verwendet werden, so kann eine Anordnung mit einem beweglichen Filter 30 und einem festen Spiegel 31 entsprechend Figur 5i zur Anwendung kommen. Ferner zeigt Figur 5d eine Anordnung mit einem optischen Modulator 75» dessen ReflexionsSpektrum sich mit dem augenblicklichen Wert der Meßgröße verändert.

Wird bei einer mechanischen Anordnung eine größere Auflösung verlangt, so kann die Modulation von zwei untereinander beweglichen Rastern 76 und 77 vorgenommen werden, die vor dem Filter 30 (Fig. 5k) liegen. Die Meßgröße verursacht, daß sich das spiegelnde Raster 77 relativ zum absorbierenden oder spiegelnden Raster 76 bewegt. Außer einer größeren Auflösung erhält man auch eine verbesserte Linearität und eine kleinere Beeinflussung der mod-Verteilungi des Lichtes. Letzteres kann auch mit Hilfe eines Diffusors oder eines Gitters 77 erreicht werden, der/das am Faserende mit einem indexmatchenden, d.h. ein denselben optischen Index verursachenden Mittel 78 angebracht ist (siehe Figur 52). Das Filter 30 wird hinter dem Gitter 77 plaziert, so daß sowohl das Bezugslicht vom Filter 30 wie das Meßwertli'cht vom Spiegel 31 den Diffusor, bzw. das Filter 77 passieren muß.

Figur 10 zeigt ein Meßgerät mit zwei Lichtquellen 101 und 102, die Licht mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen

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(Maximum bei der Wellenlänge Λ α beziehungsweise \ ρ) in die lichtleitenden Fasern 103 bzw. 104 senden, die über eine Verzweigung in der Faser 105 zusammenlaufen. Von der Faser 105 wird ein Teil des Lichtes über die Faser 106 zum Lichtdetektor 118 geleitet, dessen Fotostrom vom Verstärker 119 verstärkt und dem Summierungsglied 120 zugeführt wird. Dieses bildet die Differenz zwischen einer Bezugsspannung 121 (V _ref) und dem Ausgangssignal des Verstärkers 119, und diese Differenz wird als Fehlersignal auf einen Regler 122 gegeben, der, je nach Stellung des Schalters 123, entweder die Leuchtdiode 101 über das Speiseglied 124 oder die Leuchtdiode 102 über das Speiseglied 125 steuert. Durch diese Regelung wird erreicht, daß das Verhältnis zwischen der Lichtintensität der Leuchtdioden 101 und 102 konstant bleibt,

ι wenn der Schalter 123 vom Oszillator 117 hinsichtlich seiner beiden Lagen gesteuert wird (vergleiche Fig. 1). Von der Faser 105 gelangt ein Teil des Lichtes der Leuchtdioden 101 und 102 in die Faser 107, die das Licht zum Geber leitet. Dieser besteht aus zwei Linsen 108', zwischen denen ein drehbares Interferenzfilter 109' angeordnet ist. Das Licht, welches das Filter 109' passiert und in die lichtfortleitende Faser 110 eintritt, wird von dieser zum Lichtdetektor 111 geleitet, dessen Ausgangssignal im Verstärker 112 verstärkt wird und mittels des Schalters 126 abwechselnd den "sample-and-hold" - Gliedern 113 und 114 zugeführt wird, und zwar in demselben Takt, in dem der Schalter 123 die

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Leuchtdioden 101 bzw. '102 einschaltet. Dadurch erscheint am Ausgang des Glieds 113 ein Wert für die Lichtintensität der' Leuchtdiode 101 nach dem Passieren der Lichtleiter 103» 105, 107, 110 und des Gebers, und am Ausgang des Gliedes 114 erscheint ein Wert für die Lichtintensität der Leuchtdiode 2 nach dem Passieren der Lichtleiter 104, 105,' 107, 110 und des Gebers. Im Geber ist die Winkellage des Interferenzfilters 109' von der Meßgröße abhängig. Indem man die .· . spektrale Transmissionskurve 165 des Interferenzfilters 109' und die Emissionskurven 167 beziehungsweise 168 der Lichtquellen 101 und 102 so wählt, wie es Figur 11 zeigt, wird bei eira· Verringerung des Winkels C^ in Figur 10 die Transmissionskurve des Interferenzfilters in Richtung größerer Wellenlängen entsprechend der gestrichelten Kurve 166 verschoben, wodurch die Transmission des Lichtes von der Lichtquelle 101 geringer und die Transmission des Lichtes von der Lichtquelle 102 größer wird. Dieses Verhältnis wird benutzt, um einerseits ein Meßsignal zu erhalten, das die Winkellage des Filters repräsentiert, und um andererseits ein Bezugssignal zur Kompensierung der Instabilitäten in den Lichtquellen, der Faseroptik und dem Detektor zu erhalten. Das Summierungsglied 127 (Fig. 10) bildet die Differenz zwischen den Signalen der "sample-and-hold"-Glieder 114 und 113, welche Werte für die Lichtsignale enthalten, die von den Lichtquellen 102 bzw. 101 herstammen. Diese Differenz ist stark von der Winkellage des Interferenzfil-

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ters 109' und somit von der Meßgröße abhängig. Das Summierungn glied 128 bildet die Summe der Lichtsignale von den beiden Gliedern 114 und 113. Da die Transmission des Lichtes von der einen Lichtquelle zunimmt, wenn die Transmission des Lichtes von der anderen abnimmt, oder umgekehrt, wenn die Winkellage des Interferenzfilters sich ändert, wird das Ausgangs'signal des Summierungsgliedes 128 nur eine kleine Abhängigkeit von der Meßgröße haben. Es kann daher als Bezugssignal benutzt werden. Durch die Quotientenbildung im Divisionsglied 115 zwischen den Differenz- und Summensignalen erhält man ein Meßsignal am Anzeigeglied 116, das in Bezug auf die anfangs genannten Instabilitäten der Meßanordnung kompensiert ist. Statt die Lichtsignale von den beiden Lichtquellen mit Hilfe derßchalter 123 und 126 sowie der Glieder 113 und 114, d.h. durch!Zeitmultiplexing, zu separieren, kann auch Frequenzmultiplexing angewandt werden. Bei Frequenzmultiplexing wird der Schalter 123 durch zwei Oszillatoren ersetzt, die die Lichtquellen 101 und 102 mit verschiedenen Frequenzen modulieren, während gleichzeitig die Glieder 113 und 114 durca elektrische Filter und Demodulatoren ersetzt werden, welche die Signale der beiden Lichtquellen separieren bzw. demodulieren.

Figur 12 zeigt ein Meßgerät nach demselben Grundprinzip wie das in Figur 10 gezeigte, jedoch mit einer etwas anderen Aus-

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führung. Als Lichtquelle wird hier entweder eine breitspektrale Lichtquelle entsprechend dem Emissionsspektrum 169 in Figur 13 verwendet, oder es werden zwei Lichtquellen entsprechend dem Emissionsspektrum 167 bzw. 168 in Figur 11 verwendet. Das Licht von der Lichtquelle 101 wird durch die Faser 103 über eine Verzweigung in die Faser 107 geleitet, 'die das Licht zum Geber leitet. Dieser besteht außer aus einem Interferenzfilter 130 aus einem Luftspalt 108 zwischen der Endfläche der Faser 107 und einem Spiegel 131. Der Spiegel 131 reflektiert einen Teil des Lichtes zurück in die Faser 107, welches zur Faser 110 geleitet wird, von wo es über eine Verzweigung auf die Fasern 156 und 157 verteilt wird, die zu den Filtern 153 und 154 führen. Die Transmissionskurven dieser Filter zeigt Figur 13, in der die Kurve 170 dem Filter 153 und die Kurve 171 dem Filter 154 entspricht. Wenn der Intenferenzfilterwinkeltf. kleiner wird, wird die Transmissionskurve des Interferenzfilters zu größeren Wellenlängen hin verschoben, was durch die Transmissionskurve 166 veranschaulicht ist. Dies hat zur Folge, daß weniger Licht durch das Filter 153 (Kurve 170) transmittiert wird und daß mehr Licht durch das Filter 154 (Kurve 171) transmittiert wird, unter der Voraussetzung, daß die Lichtquelle eine ausreichende spektrale Breite hat. Somit kann man direkt ein Bezugssignal aus der Summe der Ausgangssignale der Detektorverstärker 112 und 152 erhalten, welche die Signale der Lichtdetektoren 111 bzw. 151 verstärken. Dieses Bezugssignal wird im Summierungs-

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glied 128 gebildet, dessen Ausgangssignal im Summierungsglied 120 durch Differenzbildung mit einem Bezugssignal 121 (V _f) verglichen wird. Dieses Summierungsglied ist an den Regler angeschlossen, der die Lichtquelle 101 über das Speiseglied so steuert, daß das Ausgangssignal des Summierungsglieds 128 auf den Wert Vf gehalten wird. Das Meßsignal erhält man vom Summierungsglied 127, das die Differenz der Ausgangsgrößen der Verstärker 112 und 152 bildet. Das Meßsignal wird-durch das registrierende oder anzeigende Gerät 116 ausgeworfen.

Die in den Figuren 10 und 12 beschriebenen Meßgeräte können zum Messen der meisten physikalischen Größen, die in eine mechanische Winkelbewegung überführbar sind, benutzt werden. Das lichtmodulierende Interferenzfilter wird dabei so montiert, "daß man reproduzierbare Drehungen erhalten kann. Dies kann kesast-beispielsweise durch Spitzenlagerung, Torsions-, Biege- oder Knickaufhängung erreicht werden. Indessen können die in den Figuren 11 und 13 beschriebenen Verschiebungen der spektralen Transmissionkurve des Interferenzfilters auch auf andere Weise als durch Drehung des Filters erreicht werden. So zeigt Figur 14a, wie eine Übersetzungsbewegung des Filters 172 eine Lichtmodulation der oben beschriebenen Art (siehe den Doppelpfeil) ergeben kann, wenn die optische Wellenlänge in den Interferenzschichten, aus denen Interferenzfilter aufgebaut sind, in der Richtung des Filters variiert, in der die Verschiebung vorgenommen wird. Es ist auch möglich, die genannte optische Wellenlänge dadurch zu beeinflussen, daß man

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mechanische Spannungen in den Interferenzschichten erzeugt, die gemäß Figur 14b direkt auf einen Körper aufgebracht sein können, welcher durch eine zu messende Kraft F belastet wird. Dabei arbeitet das Interferenzfilter wie ein Dehnungsgeber. Ferner kann das Filter 173 gemäß Figur 14c durch die Abhängigkeit der genannten optischen Wellenlänge von diesen Größen die Umgebungstemperatur und den Umgebungsdruck erfassen.

Schließlich zeigt Figur 15, wie das Reflexionsspektrum des Interferenzfilters benutzt werden kann, um die gleiche Art von Lichtmodulation zu erhalten, wie sie anhand der Figuren 10 und 12 beschrieben wurde. Das Licht von der Faser 107 (siehe Figur 10) wird von dem Filter 109 in die Faser 110 reflektiert, wobei die Spektralverteilung des reflektierten Lichtes durch Änderung des Winkels <* verschoben werden kann.

Die Benutzung des Reflexionsspektrums ist jedoch mit der Schwierigkeit verbunden, daß man außer der beschriebenen Modulation des Spektrums auch eine Modulation der Schaltung zwischen den Fasern 107 und 110 erhält. Um dies teilweise zu vermeiden, wird in Figur 15 eine Faser 107 mit kleinem Durchmesser zur Lichteinleitung und eine Faser 110 mit großem Durchmesser und großer numerischer Apertur (Öffnung) zum Lichtfortleiten verwendet. Alternativ kann die Faser

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107 durch eine Faser mit größerem Durchmesser ersetzt werden, wenn die Paser 110 durch einen Kubuseckenreflektor ersetzt wird. Dabei ist die Faser 107 sowohl lichteinieitend wie lichtfortleitend.

Die vorstehend beschriebenen Anordnungen können im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.

Ein "sample- and hold-Glied" ist ein Glied, welches den einmal an seinem Eingang vorhanden gewesenen Wert speichert und als Ausgangsgröße abgibt. Sobald eine neue Eingangsgröße erscheint, wird diese statt der bisherigen gespeichert und am Ausgang abgegeben.

Unter "Matchirgtompensation" versteht man eine Kompensierung mit dem Ziel, eine Übereinstimmung beispielsweise der Spektralverteilung zu erreichen.

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L e e r s e i t e

Claims

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Patentansprüche

> 1J Faseroptisches Meßgerät zum Messen physikalischer Größen, wie z.B. einer Lage, einer Geschwindigkeit, einer Beschleunigung, einer Kraft, eines Druckes, einer Dehnung, oder einer Temperatur, mit mindestens einer optischen Faser zum Leiten von Licht zwischen einer elektronischen Einheit und einem Geber, der einen optischen Modulator enthält, der direkt oder indirekt vom Wert der Meßgröße beeinflußt ist und in Abhängigkeit des Meßgrößenwertes das zum Geber gelangende Licht moduliert, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (G) mindestens ein optisches Filter (9) enthält, welches ein mit der Wellenlänge λ variierendes Absorptions^ und/oder Transmissions- und/oder Reflexionsvermögen im Spektrum des verwendeten Lichtes hat, und daß das Filter (9) in dem vom Geber weitergegebenen Licht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen ein oder mehrere Stabilisierungssignale für die Faseroptik und die Optoelektronik sowie eventuell ein oder mehrere Meßsignale erzeugt.
2. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (9) in dem vom Geber weitergegebenen Licht in mindestens einem Wellenlängenbereich 'ein Lichtsignal erzeugt, das von der. Meßgröße weniger stark abhängig ist als das Licht in einem anderen, nicht identischen Wellenlängenbereich des vom Geber weitergegebenen Lichtes.

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3. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (9) ein Interferenzfilter ist.
4. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 3, bei dem das optische Filter direkt oder indirekt von der zu messenden physikalischen Größe beeinflußt wird und seinerseits 'das Licht im Geber entsprechend moduliert, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe die optische Wellenlänge des Lichtes in den Interferenzschichten verändert, aus denen das Interferenzfilter aufgebaut ist.
5. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Faserende im Geber mit dem genannten Interferenzfilter (73) belegt ist.
6. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Geber ein oder mehrere Faserenden (7) und/oder ein oder mehrere Spiegel (31) und/oder ein oder mehrere Raster (76, 77) und/oder ein oder mehrere Diffusorplatten und/oder ein oder mehrere Filter gehören, die im Geber im Li chisfcr ahlengang angeordnet sind, und daß die Meßgrößenvariationen Relativbewegungen zwischen den Faserenden und/oder den Spiegeln und/oder den Rastern und/oder den Diffusorplatten und/oder den Filtern erzeugen.

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7. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgrößenvariationen Veränderungen in dem Reflexions- und/oder Absorptions- und/oder Transmissionsvermögen eines optischen Modulators (30) erzeugen, der im Strahlengang im Geber angeordnet ist.
8. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Lichtspektrum des in den Geber eingeleiteten Lichtes eine oder mehrere Leuchtdioden (1, 2) und/oder Laserquellen und/ oder anderen Lichtquellen vorhanden sind, daß das Transmissionsvermögen und/oder Absorptionsvermögen und/oder Reflexionsvermögen des genannten Filters für verschiedene Teile des genannten Lichtspektrums unterschiedlich ist und daß das vom Geber weitergegebene Licht auf eine oder mehrere Fotodioden (11, 18) und/oder Fototransistoren geleitet wird.
9. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zu der Elektronikeinheit gehörende Lichtquelle und/oder ein Fotodetektor mit einem optischen Filter (27, 28) versehen ist.
10. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen zeit- und frequenzmultiplexiert sind und daß zu der Elektronikeinheit Detektorglieder mit Elektronik zum Demultiplexieren (45 - 48)

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im Hinblick auf die Lichtquellen des vom Geber ausgesandten Lichtes gehören.
11. Faseroptisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstärken der Lichtquellen (1, 2) im Verhältnis zueinander durch eine separate Rückführung des Lichtes über eine oder mehrere Detektoren (18) konstantgehalten werden, die einen oder mehrere die Speisung der Lichtquellen steuernde Regler (39, 43) beaufschlagen.
12. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenlänge durch Drehung des Interferenzfilters (109) beeinflußt wird oder daß die optische Wellenlänge in verschiedenen Teilen des Interferenzfilters unterschiedlich ist und das !Filter (131) senkrecht zum Strahlengang im Geber verschiebbar ist, oder daß die optische Wellenlänge durch mechanische Spannungen in der Interferenzschicht des Filters beeinflußt wird, oder daß die optische Wellenlänge von der Temperatur des Interferenzfilters beeinflußt wird.
13. Op.iüsches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit Anordnungen zum Messen des Transmissions- oder Reflexionsvermögens des Interferenzfilters für mindestens zwei nichtidentische Wellenlängenbereiche enthält.

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14. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Wellenlängenbereiche wenigstens teilweise in eine der spektralen Transmissions- oder Reflexionsspitzen des Interferenzfilters fallen, und daß die genannten Wellenlängenbereiche auf beiden Seiten des Maximums der genannten Spitze liegen.
15. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Werten des genannten Transmissionsvermögens oder Reflexionsvermögens als Meßsignal und die Summe dieser Werte als Stabilisierungssignal dient.
16. Faseroptisches Meßgerät nach den Ansprüchen 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Detektorgliedern gelieferten Signale einem Divisionsglied (15) (Quotientenbilder) zugeführt sind.
17. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß eines der von den Detektorgliedern gelieferten Signale einem Regler (12, 43) zur Regelung mindestens einer Lichtquelle und/oder eines, Detektorverstärkers zugeführt ist.
18. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Elektronikeinheit eine Anordnung zum matching zwischen mindestens

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zwei der genannten Fotodetektoren gehört, durch welche den Fotodetektoren mit einem konstanten Verhältnis Licht mit einer bestimmten Modulationsfrequenz (fo) zugeführt wird und die ein Differenzsignal aus den Detektorsignalen im Hinblick auf diese Modulationsfrequenz bildet und nach der Demodulation über einen Regler einen verstellbaren Verstärker (42, 12) hinter einem der Detektoren derart steuert, daß die genannte Differenz gegen Null geht.
19. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen temperaturstabilisiert sind.
20. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen und die Fotodetektoren über faseroptische Verzweigungen optisch an den Geber gekoppelt sind und daß die Lichtmodsngruppen auf bekannte Weise an den Lichtquellen, an den Verzweigungen, an den Detektoren und am Geber steuerbar sind.

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