DE3020454C2 - Optische Vorrichtung zur Übertragung von Lichtstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Übertragung von Lichtstrahlen nach dein Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für die Messung von physikalischen Größen sind elektrische Meßvorrichtungen allgemein bekannt und im Gebrauch. Dabei wird eine zu messende physikalische Größe durch einen Sensor, der an einer Meßstelle angeordnet ist und die physikalische Größe abgreift, in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt, das dann über eine Signalleitung zu einer Meßeinheit für die Auswertung dieser Größe übertragen wird. Bei einer Vorrichtung zur Messung der Temperatur, z. B. des Rotors eines Generators im Betrieb desselben, sind Thermistoren als Temperatur-Sensoren an bestimmten Meßpunkten in den Rotor eingelassen, wobei Signalleitungen, die mit den jeweiligen Thermistoren elektrisch verbunden sind, zu einem Schieilring am Rotor geführt und an diesen angeschlossen sind. Über den Schleifring werden die Meßsignale von den Sensoren zu einer vom Generator entfernt angeordneten Meßeinheit übermittelt Derartige Vorrichtungen sind jedoch mit einigen Problemen behaftet Da beispielsweise das Meßsignal über den Schleifring übertragen wird, ist die Signalübertragung als solche ziemlich unzuverlässig. Da für die Signalübertragung zudem auch mechanische Kontakte verwendet werden, ist die Betriebslebensdauer einer solchen Vorrichtung begrenzt, und ihre Zuverlässigkeit ist daher mangelhaft Wenn Thermistoren in einen Generator eingebaut sind, kann weiterhin kein Signal mit großem Rauschabstand erhalten werden, was auf den Einfluß der in diesem Generator herrschenden starken elektrischen und magnetischen Felder zurückzuführen ist. Wegen der starken elektrischen Felder besteht zudem auch die Gefahr für einen dieleketrischen Durchschlag.

Es sind auch optische Meßvorrichtungen für die Temperaturmessung bekannt, beispielsweise eine Vorrichtung, die einen Infrarotstrahlungs-Sensor zur Messung der Temperatur z. B. eines Generators durch Erfassung der von diesem abgestrahlten Infrarotstrahlen verwendet Mit einer solchen Vorrichtung, bei welcher der Infrarotstrahlungs-Sensor und der Generator nicht elektrisch oder mechanisch miteinander verbunden zu sein brauchen, kann das vorher angeschnittene Problem gelöst werden. Bei einem Generator, bei dem der Spalt zwischen Rotor und Stator klein ist, typischerweise in der Größenordnung von 1 —2 mm liegt, treten jedoch Schwierigkeiten bei der Messung der an einem Meßpunkt im Rotor, speziell im Innenbereich des Generators, aus diesem engen Spalt heraus streuenden Infrarotstrahlung auf, woraus sich Einschränkungen bezüglich der Meßgenauigkeit ergeben.

Aus der DE-OS 25 51 527 ist eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Übertragen einer Vielzahl von Informationen zwischen zwei sich zueinander drehenden Anordnungen bekannt, in denen jeweils Lichtleitfasern enden.

20 454

Dabei ist eine Lichtempfangsfläche der drehbaren zweiten Anordnung in konzentrische Ringteile aufgespalten und optisch mit der ortsfesten ersten Anordnung, gekoppelt, die von der zweiten Anordnung beabstandet ist Wenn so die zweite Anordnung umläuft, werden, die Enden der Lichtleitfasern der ersten Anordnung den Endabschnitten der Lichtleitfasern der zweiten Anordnung zugekehrt gehalten. Damit wird zwar eine von mechanischen Kontakten freie Übertragungsvorrichtung geschaffen. Jedoch müssen die Enden der Lichtleitfasern der Anordnung genau den Enden der zugehörigen Enden der Lichtleitfasern der zweiten Anordnung zugeordnet werden, was erhebliche Probleme bei der Justierung mit sich bringt.

Aus »IEEE Transactions on Communications«; VoL Com.-26, Nr. 7, Juli 1978, Seiten 1082 bis 1087. ist eine optische Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt Bei dieser Vorrichtung sind zur Nachrichtenübertragung die Wellen-Multiplexer und die Wellen-Demujtiplexer über ein Lichtleitfaserkabel miteinander verbunden. Ein Lichtsender erzeugt dabei entsprechend einem in diesen eingespeisten elektrischen Signal modulierte Lichtstrahlen, die über den Multiplexer und das Lichtleitfaserkabel zum Demultiplexer auf der Empfängerseite übertragen und dort wieder in elektrische Signale umgesetzt werden. Der Multiplexer mischt Einzel-Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen, um einen zusammengesetzten Lichtstrahl zu erzeugen, während der Demuitik plexer den zusammengesetzten Lichtstrahl wieder in die Einzel-Lichtstrahlen zerlegt Für eine Messung physikalischer Größe an sich bewegenden oder drehenden, Objekten ist diese bekannte Vorrichtung ungeeignet da

Weiterhin ist aus »AppL Phys. Lett«, Bd.31 (1977X Nr.3, Seiten 169 bis 171, ein optischer Multiplexer bekannt der aus einem Beugungsgitter besteht das über eine Stablinse an Lichtleitfasern angeschlossen ist

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten daß sie zur Messung physikalischer Größen an einer Vielzahl von Meßpunkten in sich bewegenden oder drehenden Objekten ohne besondere Justierungsprobleme geeignet ist

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemsB durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.

Die Erfindung ermöglicht eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen an einer Vielzahl von Meßpunkten in einem sich bewegenden bzw. drehenden Objekt wobei keine besonderen Justierungsprobleme der Enden einzelner Lichtleitfasern zueinander auftreten.

Die an den jeweiligen Meßpunkten vorgesehenen Sensoren erfassen physikalische Größen jeweils aus Iichtstrahlen verschiedener Wellenlängen. Je mehr Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen verwendet werden, um so mehr Meßpunkte können vorgesehen werden. Zur Übertragung der Lichtstrahlen brauchen die Lichtempfangsenden der Lichtleitfasern des ersten Abschnittes nicht lagemäßig mit den Lichtempfangsenden der Lichtleitfasern des zweiten Abschnittes ausgerichtet zu sein. Diese vorteilhafte Eigenschaft beruht darauf, daß die Lichtstrahlen gemischt werden, unreinen gebündelten oder zusammengesetzten Lichtstrahl zu erzeugen, und der so erhaltene zusammengesetzte Lichtstrahl wird vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt über den Zwischenraum übertragen. Es ist vollkommen ausreichend, daß ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge von einem Demultiplexer in die entsprechende Faser eingespeist wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Üs zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung,

F i g. 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines optischen Sensors der Meßvorrichtung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der kristallographischen Achsen eines Doppelbrechungs-Kristalls des Sensors gemäß Fig. 2,

F i g. 4 eiEe graphische Darstellung der Kennlinie nach F i g. 2,

F i g. 5 eine schematische Schnittansicht eines Generators, in den die optische Mehrkanal-Meßvorrichtung nach F i g. 1 eingebaut ist,

F i g. 6 eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des optischen Sensors und

F i g. 7 eine F i g. 1 ähnttade Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Bei der in F i g. 1 dargestellten optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung werden die optischen Eingangs- und Ausgangssignale über dieselbe optische Strecke übertragen.

Diese Vorrichtung kann als aus drei Abschnitten 2,4 und 6 bestehend angesehen werden. Der erste Abschnitt 2 umfaßt eine Anzahl von z. B. η (77= 1, 2, 3...) optischen Fasern 8, die jeweils am einen Ende optisch an eine Lichtquelle 10, z. B. eine Laserdiode für Wellenlängen-Multiplexübertragung oder eine Leuchtdiode, angekoppelt sind. Diese Lichtquelle 10 erzeugt Lichtstrahlen mit jeweils praktisch einer einzigen Wellenlänge, cE h. in einem vergleichsweise engen Wellenlängenbereich. Dies bedeutet, daß jede Lichtquelle Lichtstrahlen einer bestimmten Wellenlänge als optisches Eingangssignal zur betreffenden optischen Faser 8 ausstrahlt Die optischen Fasern 8 sind jeweils mit einem optischen Verteiler oder Sammler 12 verbunden, der eine Lichtzufuhrstrecke 14 und eine Lichtrücklaufstrecke 16 aufweist, die ihrerseits an Photodetektoren 18 bzw. 20 angeschlossen sind, welche wiederum elektrisch mit zugeordneten logarithmischen Verstärkern 22 bzw. 24 verbunden sind, deren elektrische Signale einem Differenzverstärker 26 eingegeben werden. In letzterem werden die beiden elektrischen Signale zur Ermittlung der Dämpfung des optischen Ausgangssignals miteinander verglichen, und anhand dieser Vergleichsgröße wird die Temperatur an jedem Meßpunkt bestimmt. Das Meßsignal vom Differenzverstärker 26 wird beispielsweise einer Anzeigeeinheit 28 zugeführt, an welcher die Temperatur an jedem Meßpunkt wiedergegeben wird. Wenn die Meßzone nach Maßgabe der Temperatur am Meßpunkt gesteuert wird, wird das Ausgangi^ignal des Differenzverstärkers 26 einer Steuervorrichtung für die Einstellung der Meßzone zugeführt. Um zu verhindern, daß das vom optischen Verteiler 12 zurücklaufende optische Ausgangssienal wieder in die Lichtauelle 10 eintritt, ist ein ODtischer Isolator 30 mit einem Faradavschen Rotator bzw.

Abschwächer optisch zwischen den Verteiler 12 und die Lichtquelle 10 eingeschaltet. Die optischen Fasern 8 sind an ihren jeweiligen anderen Enden gebündelt, und an jedem dieser Enden ist je eine Stablinse 32 zum Divergieren der von jeder optischen Faser 8 empfangenen Eingangslichtstrahlen sowie zum Konvergieren der zu jeder optischen Faser 8 zurücklaufenden Ausgangslichtstrahlen vorgesehen.

s Diese Stablinsen 32 sind mit ihren Lichtstrahl-Leitflächen auf eine erste Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer-Einheit 34 im zweiten Abschnitt 4 gerichtet Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Einheit 34 beispielsweise ein konkaves Beugungsgitter. Diese Einheit 34 bewirkt ein Multiplexen der verschiedene Wellenlängen besitzenden, von den Stablinsen 32 projizierten Eingangslichtstrahlen zur Bildung eines Mehrfach- oder Gesamt-Eingangslichtstrahls, während diese Einheit 34 weiterhin einen rücklaufenden Mehrfach-Ausgangslicht strahl spektroskopisch in Einzel-Ausgangslichtstrahlen verschiedener Wellenlängen demultiplext bzw. zerlegt, welche dann auf die entsprechenden Stablinsen 32 verteilt werden. Die Einheit 34 ist nicht auf die Verwendung eines konkaven Beugungsgitters beschränkt, vielmehr kann auch ein anderes Spektroskop vorgesehen werden, beispielsweise ein sphärisches Beugungsgitter und ein Prisma. Längs des Gesamt-Strahlengangs zu der und von der ersten Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplcxer-Einheit 34 sind ein erstes und ein zweites Lichtübertra gungs-Linsensystem 36 bzw. 38 vorhanden. Das erste Linsensystem 36 besteht gemäß F i g. 1 beispielsweise aus einem Linsenelement 40, welches einen zur Einheit 34 zurücklaufenden, konvergierenden Gesamt-Ausgangslichtstrahl in einen parallelen Lichtstrahl umwandelt und den Mehrfach- bzw. Gesamt-Eingangslichtstrahl von der c;ruiCii 1Λ Konvergieren !aiii, sca;c sus ζ\τλ~> Linscncicmcrü 42, wcscrics den KGnvcrgicrcriacn wcsarrii-tir·- gangslichtstrahl zu einem zum zweiten Linsensystem 38 laufenden parallelen Lichtstrahlenbündel umwandelt und einen vom zweiten Linsensystem 38 ankommenden parallelen Gesamt-Ausgangslichtstrahl konvergieren läßt Das zweite Linsensystem 38 erfüllt eine dem ersten Linsensystem entgegengesetzte Funktion. Es besteht aus ähnlichen Linsenelementen 44 und 46, die längs des Gesamt-Strahlengangs angeordnet sind. Auf diesem Strahlengang befindet sich eine der ersten Einheit 34 ähnelnde zweite Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer-Einheit48.

Der dritte Abschnitt 6 mit ähnlichem Aufbau wie der erste Abschnitt 2 befindet sich in der Meßzone. Er umfaßt π optische Fasern 50, deren Zahl der Zahl der Meßpunkte in der Meßzone entspricht. Jede optische Faser SO ist am einen Ende mit einem optischen Sensor 52 verbünde),, welcher die Lichtintensität der über die optischen Fasern 50 übertragenen Eingangslichtstrahlen moduliert und den modulierten Ausgangslichtstrahl zum selben Strahlengang zurückführt. Die optischen Fasern 50 sind an ihren anderen Enden gebündelt und jeweils mit den Stablinsen 32 des ersten Abschnitts 2 ähnelnden Stablinsen 54 verbünde!;, deren jeweilige Lichtleitflächen der zweiten Multiplexer/Demultiplexer-Einheit 48 zugewandt sind. Die Einheit 48 bewirkt ein spektroskopsiches Demultiplexen bzw. Zerlegen des auf sie auftreffenden Gesamt- bzw. Mehrfach-Eingangslichtstrahls in verschiedene Wellenlängen besitzende Einzellichtstrahlen, die auf die jeweils entsprechenden optischen Fasern 50 verteilt werden, sowie ein Multiplexen der von den jeweiligen Stablinsen 54 übertragenen Einzellichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, um den zum zweiten Linsensystem 38 zu übertragenen Gesamt-Ausgangsiichtstrah! zu erzeugen.

F i g. 2 veranschaulicht ein Beispiel für den optischen Sensor 52, welcher den einfallenden Lichtstrahl bzw. das Strahlenbündel nach einer Lichtintensitätsmodulation entsprechend der Temperatur am Meßpunkt zum selben Strahlengang zurückleitet Gemäß F i g. 2 ist die optische Faser 50 mit Hilfe von Elementen 58 und 60 sicher in einem hohlzylindrischen Gehäuse 56 gehaltert das beispielsweise einen Außendurchmesser von 1 mm und eine Länge von 8 mm sowie ein vergleichsweise hohes Wärmeleitvermögen besitzt In diesem optischen Sensor 52 ist in enger Anlage an der Stirnfläche der optischen Faser 50 eine selbstfokussierende Stablinse 62 angeordnet (z. B. »1/4-pitch Selfoc Micro LENS« der Firma Nippon Sheet Glass Co, Ltd.). Diese selbstfokussierende Stablinse 62 besitzt die Eigenschaft einen in ihrer einen Stirnfläche, die dicht an der optischen Faser anliegt einfallenden Lichtstrahl zu einem parallelen Lichtstrahl an der anderen Stirnfläche umzuwandeln. Die andere Stirnfläche der Stablinse 62 steht in inniger Berührung mit einem Polarisator 64, der seinerseits in fester Berührung mit einer Stirnfläche eines Doppelbrechungs-Kristalls 66 ist beispielsweise eines LiNbOj- oder KPD-Einkristalls. Falls es sich gemäß F i g. 3 bei dem Doppelbrechungs-Kristall 66 um einen LiNbCh-Einkristall handelt ist seine Achse a auf die Lichtdurchgangsrichtung ausgerichtet während seine Achse c einen Winkel von 45° zur Polarisationsflä ehe des Polarisators 64 bildet Zwischen dem Doppelbrechungs-Kristall 66 und einer reflektierenden Räche 68 auf einem aufgedampften Al- oder Au-FiIm auf der Innenstirnfläche des Gehäuses 56 ist ein Viertelwellenlängenplättchen 70 zum Kompensieren eines von der Reflexion der Lichtstrahlen hemihrenden Phasenunterschieds angeordnet

im optischen Sensor 52 mit dem beschriebenen Aufbau wird der aus der einen Stirnfläche der optischen Faser 50 austretende Eingangslichtstrahl durch die Stablinse 62 zu einem parallelen Lichtstrahl bzw. Strahlenbündel divergiert und auf den Polarisator 64 geworfen, und der aus dem Polarisator 64 austretende, linear polarisierte Lichtstrahl trifft sodann auf den Doppelbrechungs-Kristall 66. Der auf den Kristall 66 auftreffende Lichtstrahl wird beim Durchgang durch den Kristall 66 in einen außerordentlichen Strahl und einen ordentlichen Strahl zerlegt so daß zwischen diesen beiden verschiedenen, aus dem Kristall 66 austretenden Strahlen eine Schwä chung auftritt Diese Lichtstrahlen werden durch die Reflexionsfläche 68 reflektiert, um dann über das Viertel- wellenlängenplättchen 70 und den Kristall 66 wieder zurückzulaufen. Bis der reflektierte Lichtstrahl bzw. das Strahlenbündel wieder den Polarisator 64 erreicht wird er bzw. es somit elliptisch polarisiert Infolgedessen trifft eine Komponente des längs der Polarisationsfläche des Polarisators 64 laufenden Lichtstrahls als Ausgangssigua! auf die Stabünse 62 auf. Die durch den DoppeJbrechungs-Kristal! 66 bewirkte Doppelbrechung B ändert sich mit der Temperatur 7", so daß sich in Abhängigkeit von der Temperatur die Lichtintensität / des Ausgangslichtstrahls gegenüber einer konstanten Lichtintensität I₀ des auf den optischen Meßfühler 52 fallenden Eingangslichtstrahls ändert. Das Verhältnis Uh zwischen den beiden Lichtintensitäten bestimmt sich wie folgt:

3Θ 20 454

-τ- —

Φ =

und

B - Βο{\ + (OBZdT)T) - no-ne)

worin Φ die Schwächung zwischen dem ordentlichen Strahl und dem außerordentlichen Strahl, k die Länge des

Doppelbrechungs-Kristalls 66 bei der Temperatur von 0⁰C, λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls, Bo

die Doppelbrechung des Kristalls 66 bei der Temperatur von 0⁰C, no den Brechungsindex des ordentlichen

Strahls und /i_e den Brechungsindex des außerordentlichen Strahls bedeuten. Die obigen Gleichungen finden sich

in der JA-OS 17 869/50, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Die graphische Darstellung von

F i g. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Verhältnis I/k und der Temperatur. Diese graphische Darstellung gibt Meßwerte wieder, die mittels eines KDP-Kristall-Plättchens mit i-Schnitt und einer Dicke von

20 μΐη gewonnen wurden. 15 |j

Aus obigen Gleichungen und aus der graphischen Darstellung von F i g. 4 geht hervor, daß der optische Sensor 52 die Lichtintensität des einfallenden Lichtstrahls entsprechend der Temperatur moduliert Die Charakteristik bzw. Kennlinie des Sensors 52 wird durch das umgebende elektromagnetische Feld beeinflußt Das Gehäuse 56 besteht daher vorzugsweise aus einem elektromagnetisch absctvrmenden Material, um den Doppelbrechungs-Kristall 66 gegenüber dem elektromagnetischen Feld abzuschirmen.

Die vorstehend beschriebene optische Mehrkanal-Meßvorrichtung kann auf die in F i g. 5 dargestellte Weise in einen Generator eingebaut werden. Gemäß Fi g. 5 sind die optischen Sensoren 52 in einen Rotor 76 eingelassen, der sich in einem eine Anzahl von Spulenelementen 72 aufweisenden Stator 74 dreht Die optischen Fasern 50 des dritten Abschnitts 6 sind von den jeweiligen Sensoren 52 aus durch den Rotor 76 geführt und an ihren anderen Enden innerhalb einer in einem Lager 80 laufenden Welle 78 des Rotors 76 gebündelt Innerhalb der Welle 78 ist das zweite Linsensystem 38 des zweiten Abschnitts 4 in der Weise angeordnet, daß seine optische Achse mit der Drehachse der Welle 78 fluchtet Das erste Linsensystem 34 des zweiten Abschnitts 4 ist innerhalb einer Station 82 angeordnet, welche dem betreffenden Ende der Welle 78 in einem Abstand zugewandt ist Die optische Achse des ersten Linsensystems 36 ist auf diejenige des zweiten Linsensystems 38 ausgerichtet Der erste Abschnitt 2 befindet sich innerhalb der Station 82 In F i g. 5 sind die Lichtquelle 10 sowie andere Bauteile des ersten Abschnitts 2 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der auf die vorher beschriebene Weise in den Generator eingebauten optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung im einzelnen erläutert Hierbei sei angenommen, daß eine der Lichtquellen 10 einen Infrarotlichtstrahl erzeugt Dieser Lichtstrahl wird durch den betreffenden optischen Verteiler 12 aufgeteilt und zur angeschlossenen Lichtzufuhrstrecke 14 geleitet Der Rest des Lichtstrahls erreicht über den optischen Isolator 30, den optischen Verteiler 12 und die optische Faser 8 die Stablinse 32, um durch diese divergiert und auf das erste konkave Beugungsgitter 34 im zweiten Abschnitt geworfen zu werden. Auf dieses erste Beugungsgitter werden von den anderen Stablinsen 32 auch Lichtstrahlen mit anderen Wellenlängen als der Infrarot-Wellenlänge projiziert wobei das Beugungsgitter 34 die Lichtstrahlen bzw. -bündel mit den verschiedenen Wellenlängen multiplext und einen Gesamt- bzw. Mehrfach-Lichtstrahl erzeugt der einen weiten Wellenlängenbereich umfaßt und der auf die Linse 40 des ersten Linsensystems 36 geworfen wird. Der einfallende Lichtstrahl wird durch die Linse 40 konvergiert und auf die Linse 42 geworfen, um durch diese in einen parallelen Lichtstrahl bzw. ein paralleles Lichtstrahlenbündel umgewandelt zu werden, der bzw. das zur Linse 44 des zweiten Linsensystems 38 übertragen wird. Durch die Linse 44 wird der einfallende Lichtstrahl konvergiert, um anschließend durch die Linse 46 wieder zu einem parallelen Lichtstrahl 46 umgewandelt zu werden, der auf das zweite konkave Beugungsgitter 48 geworfen wird Letzteres bewirkt ein spektroskopisches Demultiplexen bzw. Zerlegen des auftreffenden Gesamtlichts in die Einzellichtstrahlen der verschiedenen Wellenlängen, die dann auf die jeweiligen Stablinsen 54 geworfen werden. Der Infrarot-Lichtstrahl wird dabei durch die zugeordnete Stablinse 54 zur betreffenden optischen Faser 50 übertragen, um dann den angeschlossenen optischen Sensor 52 zu erreichen. Im Sensor 52 wird der einfallende Lichtstrahl einer Intensitätsmodulation unterworfen, worauf der resultierende, modulierte Lichtstrahl über denselben Strahlengang, d h. die optische Faser 50 und die Stablinse 54, zurückläuft und wieder auf das Beugungsgitter 48 geworfen wird, in welchem er mit den anderen rücklaufenden Lichtstrahlen multiplext, d h. gebündelt wird Der auf diese Weise gebildete Mehrfach-Ausgangslichtstrahl wird zum Beugungsgitter 34 fibertragen und in diesem wieder spektroskopisch demultiplext bzw. zerlegt, worauf die resultierenden Einzellichtstrahlen über dieselben Strahlengänge wie die entsprechenden Eingangslichtstrahlen übertragen werden. Der rücklaufende Infrarotlichtstrahl wird beispielsweise über den Strahlengang zur Lichtquelle 10 übertragen, welche den Infrarot-Eingangslichtstrahl erzeugt Jeder Rücklauflichtstrahl wird zum Teil der betreffenden Lichtrücklaufstrecke 16 zugeleitet, während der Rest jedes Lichtstrahls zum betreffenden Isolator 30 geführt wird, welcher den einfallenden Lichtstrahl an einer Bewegung zur zugeordneten Lichtquelle 10 hindert Die den.Lichtzufuhr- und Lichtrücklaufstrecken 14 bzw. 16 zugeführten Lichtstrahlen bzw. -bündel werden durch die zugeordneten Photodetektoren 18 und 20 erfaßt und in entsprechende elektrische Signale umgesetzt, welche den logarithmischen Verstärkern 22 und 24 eingespeist werden. Die Ausgangssignale dieser Verstärker 22 und 24 werden an den Differenzverstärker 26 angekoppelt, und die Temperatur am Meßpunkt wird anhand des Verhältnisses zwischen den optischen Eingangs- und Ausgangssignalen ermittelt und an der Anzeigeeinheit 28 wiedergegeben.

Auf die beschriebene Weise kann mittels der optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung für Temperaturmessung die Temperaturinformation an den einzelnen Meßpunkten des Rotors im Generator aus letzterem in Form eines Signallichtstrahls bzw. -bündeis herausgeführt werden, was durch optische Ankopplung ohne elektrische oder

mechanische Kontakte erreicht wird. Da bei dieser Vorrichtung die Temperaturmessung ausschließlich auf optischem Wege erfolgt und die gewonnene Temperaturinformation in Form einer Lichtinformation übertragen wird, insbesondere auf eine Signalübertragungsstrecke ohne jeden elektrischen oder mechanischen Kontakt an Innen- und Außenseite der drehenden Teile, kann eine hohe Zuverlässigkeit der Messung gewährleistet werden.

Außerdem kann die Temperaturmessung an jedem Meßpunkt mit großem Rauschabstand und ohne Beeinflussung durch starke elektromagnetische Felder im Inneren des Generators erfolgen, wobei bei dieser Vorrichtung außerdem auch das Problem eines dielektrischen Durchschlags nicht gegeben ist Darüber hinaus kann die Messung der Tsfciperaturverteilung im Inneren des Generators, die sich bisher als sehr schwierig erwiesen hat, mit hoher Genauigkeit unter Verwendung der optischen Temperatur-Sensoren, durch Wellenlängen-Bündelung

der Lichtinformation und durch Übertragung des Mehrfach- bzw. Gesamt-Ausgangssignals über die gesamte Übertragungsstrecke durch die optischen Fasern und die Ausbreitungsstrecken durchgeführt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden als Lichtquellen mehrere Wellenlängenmultiplex-Laserdioden oder -Leuchtdioden verwendet, wobei die geringfügig voneinander verschiedenen Emissionslichtwellenlängen dieser Lichtquellen multiplext bzw. gebündelt werden. Beim derzeitigen Stand der Technik kann jedoch unter Verwendung solcher Laserdioden oder Leuchtdioden lediglich ein Mehrkanalsystem realisiert werden, das höchstens einige zehn Kanäle besitzt Zur Realisierung eines Systems mit einer größeren Zahl von Kanälen bietet es sich an, das Licht von einer Weißlichtquelle spektroskopisch zu zerlegen oder Laservorrichtungen zu verwenden, mit denen eine Wellenlängenabstimmung durchführbar ist.

Obgleich sich die vorstehend beschriebene Ausführungsform auf eine Temperaturmeßvorrichtung bezieht,

kann zur Messung der Materialspannung beispielsweise in verschiedenen Teilen eines Rotors oder Läufers eine berührungsfreie Mehrkanal-Materialspannungsmeßvorrichtung unter Verwendung von optischen Druck-Sensoren, welche auf der Grundlage einer Lichtmodulation in Abhängigkeit vom Druck arbeiten, konstruiert werden. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird weiterhin ein reflektierender optischer Sensor 52 verwendet, der eine Intensitätsmodulation des einfallenden bzw. Eingangslichtstrahls bewirkt und die Modulation als Ausgangs- bzw. Reflexionslichtstrahl zum selben Strahlengang zurückleitet Es ist jedoch auch möglich, einen optischen Durchlaß- bzw. Übertragungs-Sensor der Art gemäß F i g. 6 zu verwenden, bei dem die Strahlengänge für den einfallenden Lichtstrahl und den durchgelassenen oder übertragenen Lichtstrahl voneinander getrennt sind. Beim optischen Sensor 52 gemäß F i g. 6 sind eine selbstfokussierende Stablinse 62-1, ein Polarisa tor 64-1, ein Doppelbrechungs-Kristall 66, ein Analysator 64-2 und eine selbstfokussierende Stablinse 62-2 in der angegebenen Reihenfolge längs eines Strahlengangs angeordnet, der von einer optischen Eingangsfaser 50-1 zu einer optischen Ausgangsfaser 50-2 verläuft Bei diesem optischen Sensor 52 wird der aus der selbstfokussierenden Stablinse 62-1 austretende divergierende Lichtstrahl durch den Polarisator 64-1 linear polarisiert und dann durch den Doppelbrechungs-Kristall 66 entsprechend der Temperatur elliptisch polarisiert Aus dem elliptisch

polarisierten Lichtstrahl wird nur eine längs der Polarisationsfläche gerichtete Komponente vom Analysator I

64-2 herausgenommen, und der betreffende Lichtstrahl wird über die Stablinse 62-2 zur optischen Ausgangsfaser I

50-2 übertragen. Auf diese Weise erfährt der zu diesem optischen Sensor 52 geleitete Eingangsiichtstrahi eine -

Lichtintensitätsmodulation, und der modulierte Lichtstrahl wird als Ausgangslichtstrahl abgenommen. Die optische Ausgangsfaser 50-2 kann an die Eingangsübertragungsstrecke oder an einen Übertragungsstrahlengang in einem einseitig gerichteten optischen System angeschlossen sein, das eine ähnliche Anordnung besitzt wie diejenige nach F i g. 1, dabei aber vom Strahlengang für die optischen Eingangssignale getrennt ist

F i g. 7 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 1. Dabei sind die optischen Sensoren zwischen eine optische Übertragungsstrecke für den Einfallslichtstrahl und eine getrennte Übertragungsstrecke für den übertragenen Lichtstrahl eingeschaltet In F i g. 7 sind die einander entsprechenden Teile in den

beiden optischen Übertragungsstrecken mit denselben Ziffern bezeichnet, jedoch mit einer angehängten »1«für die optischen Elemente in der Einfallslichtstrahl-Übeirtragungsstrecke und einer angehängten »2« für die Bauteile in der Übertragungsstrecke für den übertragenen bzw. zurückgeleiteten Lichtstrahl.

Es wird somit eine kontaktfreie bzw. berührungsfreie, genau und zuverlässig arbeitende Mehrkanal-Meßvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe, wie Temperatur oder Materiaispannung, an einer Vielzahl

so von Meßpunkten innerhalb eines Generators oder Motors auf optischem Wege geschaffen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

-.-;-" .-■■'■ Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung zur Übertragung von Lichtstrahlen von einem ersten Abschnitt (6) zu einem zweiten Abschnitt (2), wobei beide Abschnitte (6, 2) optisch miteinander gekoppelt sind und in beiden Abschnitten (6,2) Wellenleiter (50,8) vorgesehen sind, mit zwei optischen WeMea-Multiplexen; (34,34-1,48, 48-2) und zwei optischen Wellen-Demultiplexern (48,48-1,34,34-2) zum Mischen und Zerlegen von Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Messung physikalischer Größen an Meßpunkten des ersten Abschnittes (6) mehrere Sensoren (52, 52-1) vorgesehen sind, zu denen die Lichtstrahlen in nicht modulierter Form über Wellenleiter (50, 50-1)

ίο geführt sind und die die Stärke der zunächst nicht modulierten Lichtstrahlen entsprechend den von ihnen abgetasteten physikalischen Größen modulieren, damit diese im zweiten Abschnitt (2) auswertbar sind, und
daß der erste Abschnitt (6) mit seinem Multiplexer (48,48-2) und seinem Demultiplexer (48,48-1) relativ zu dem zweiten Abschnitt (2) mit seinem Multiplexer (34,34-1) und seinem Demultiplexer (34,34-2) beweglich angeordnet ist, indem ein wellenleiterfreier Zwischenraum/4) eingefügt ist

J5

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Multiplexer und Demultiplexer

des ersten Abschnitts (6) und Multiplexer und Demultiplexer des zweiten Abschnitts (2) jeweils aus ein und derselben Baueinheit (48,34) vom Zweirichtungstyp bestehen (F i g. 1).

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (48,34) ein konkaves Beugungsgitter aufweist

4. Optische Vorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (52,52-1) jeweils aufweisen:

einen Polarisator (64-1) zum linearen Polarisieren der einfallenden nichtmodulierten Lichtstrahlen,
einen Doppelbrechungs-Kristall (66) zum Umsetzen der linear polarisierten Lichtstrahlen in elliptisch polarisierte Lichtstrahlen abhängig von der Temperatur an den Meßpunkten und

tinen Analysator (64-2) zum Übertragen nur einer Komponente der elliptisch polarisierten, längs der Polarisationsfläche laufenden Lichtstrahlen.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (52,52-1) jeweils aufweisen:
einen Polarisator (64) zum linearen Polarisieren der einfallenden nichtmodulierten Lichtstrahlen und zum

Übertragen nur einer Komponente der modulierten, längs der Polarisationsfläche laufenden Lichtstrahlen,

einen Doppelbrechungskristall (66) zum Umsetzen der linear polarisierten Lichtstrahlen, in elliptisch polarisierte Lichtstrahlen abhängig veil der Temperatur an den Meßpunkten und

ein optisches Element (68, 70) zum Reflektieren der elliptisch polarisierten Lichtstrahlen unter Einführung eines Phasenunterschieds, wobei oas optische Element (68,70) einen Reflexionsspiegel (68) und ein Viertelwellenlängenplättchen (70) aufweist