DE3031961A1

DE3031961A1 - Interferometrische einrichtung zur messung physikalischer groessen

Info

Publication number: DE3031961A1
Application number: DE19803031961
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Dipl.-Phys. 6000 Frankfurt Bargmann; Horst Dipl.-Phys. 6072 Dreieich Winterhoff; Kurt Dipl.-Phys. 6200 Wiesbaden Wittig
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-08-25
Filing date: 1980-08-25
Publication date: 1982-03-11
Also published as: DE3031961C2

Description

Interferometrische Einrichtung zur Messung
physikalischer Größen Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik Es ist bereits eine interferometrische Einrichtung zur Dehnungsmessung bekannt, bei welcher der Lichtstrahl einer monochromatischen Lichtquelle mittels eines Strahlteilers in zwei Lichtstrahlen geteilt wird, die je in ein Ende einer Monomode-Lichtleitfaser eingekoppelt werden' diese Lichtleitfasern sind über einen Teil ihrer Länge mit einem auf Biegung beanspruchten Element derart verbunden, daß eine Lichtleitfaser im Bereich des einer Belastung ausgesetzten Elementes auf Dehnung und die andere Lichtleitfaser auf Stauchung beansprucht wird. Die Ausgangsenden beider Lichtleitfasern sind zusammengefaßt und das austretende Licht fällt auf einen Schirm, auf welchem die der auftretenden Dehnung proportionale Bewegung des durch die beiden Strahlen erzeugten Interferenzmusters beobachtet wird (APPLIED OPTICS,- Vol. 17, Nr. 18, Sept. 1978, S. 2867 - 2869). Die bekannte Einrichtung benötigt zwei Lichtleitfasern und ist für die Messung physikalischer Größen, wie Dehnung, Temperatur, Kraft, nicht ohne weiteres geeignet, weil der Richtungssinn der Längenänderung nicht erkannt wird.
Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Einrichtung zu schaffen, mit welcher eine Deformationsinformation (Längung-Stauchung) erhalten wird, so daß der Richtungssinn der belasteten Lichtleitfaser eindeutig feststellbar ist.
Lösung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteile Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Erfassung des Vorzeichens der erhaltene Meßeffekt eindeutig auswertbar ist (Richtungswechsel der physikalischen Größe), daß zur Messung prinzipiell nur eine Monomodefaser erforderlich ist, daß sofort ein digitales Meßergebnis sehr hoher Genauigkeit vorliegt Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemaße Einrichtung mit einem Meß-und einem Referenzzweig mit Lichtleitfasern sowie einem photoelektrischen Anzeigezweig, welcher mit den reflektierten Meß- und Referenzlichtstrahlen beaufschlagt wird, Fig. 2 ein Signaldiagramm mit den bei einer Messung auftretenden Interferenzmaxima, Fig. 3 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Einrichtung, bei welcher Meß- und Referenzstrahl nicht reflektiert werden, sondern die Lichtleitfasern nur in einer Richtung durchlaufen.
Die interferometrische Einrichtung nach Fig. 1 umfaßt eine monochromatische Strahlungsquelle 1, beispielsweise einen HeNe-Laser, einen teiltransparenten Strahlteiler 2, zwei Umlenkspiegel 3, 4, zwei Photodetektoren 5, 6, eine einen Meßzweig 7 bildende Monomode-Lichtleitfaser 8 mit vor ihr angeordneter Fokussierlinse 9, eine einen Referenzzweig 10 bildende Monomode-Lichtleitfaser 11 mit vor ihr angeordneter Fokussierlinse 12, ein vor dem Strahlteiler 2 angeordnetes optisches v 4 Polarisatorelement 13, ein hinter dem Strahlteiler 2 im Meßzweig 7 angeordnetes 4-Polarisatorelement 14, einen vor dem Photoempfänger 5 angeordneten Analysator 15, einen vor dem Photoempfänger 6 angeordneten Analysator 16, eine an die Ausgänge 17, 18 der Photoempfänger 5, 6 angeschlossene Auswerteelektronik 19 mit einem dezimalen Vorwärts-Rückwärtszähler.
Im Referenzzweig 10 braucht nicht eine Lichtleitfaser vorgesehen zu sein; an deren Stelle kann auch ein Spiegel 20 treten, wie durch die Strichelung angedeutet ist. Die Enden 21, 22 der Lichtleitfasern 8, 11 sind zwecks Reflexion der durchgeleiteten Lichtstrahlen in geeigneter Weise verspiegelt; anstelle einer Endverspiegelung können bei unverspiegelten Enden 21, 22 diesen auch ein nicht weiter dargestelltes Linsen-Spiegelsystem zugeordnet sein, auf das das austretende Licht fällt und wieder in die Enden eingekoppelt wird.
Nachstehend wird die Wirkungsweise der Einrichtung näher erläutert.
Der von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Lichtstrahl ist linear polarisiert, wie durch den senkrechten Strich angedeutet; mittels des t/4-Elementes 13 ergibt sich ein zirkular polarisierter Lichtstrahl, wie durch den Linkspfeil angedeutet ist. Am Strahlteiler 2 erfolgt eine Aufspaltung in einen Meß-Lichtstrahl und in einen Referenz-Lichtstrahl. Der Meß-Lichtstrahl trifft auf das weitere t/4-Element 14, wodurch der Meß-Lichtstrahl senkrecht zum ursprünglichen Lichtstrahl linear polarisiert wird, wie durch den waagerechten Strich angedeutet ist; dieser Meß-Lichtstrahl wird mittels der Linse (oder Mikroskop-Objektiv) 9 auf das Eingangsende 23 der Meß- Lichtleitfaser 8 fokussiert und eingekoppelt und durchläuft diese von einer physikalischen Größe beeinflußte Faser 8; der an der Verspiegelung 21 reflektierte linear polarisierte Meß-Lichtstrahl gelangt über die Faser 8, Linse 9 zum t/4-Element 14 zurück, wird mittels dieses wieder zirkular polarisiert (Rechtspfeil).
Dieser reflektierte, zirkular polarisierte Meß-Lichtstrahl trifft auf den Strahlteiler 2.
Der mittels des /4-Elementes 13 zirkular polarisierte Referenz-Lichtstrahl gelangt über den Umlenkspiegel 3 und die Linse 12 in die Referenz-Lichtleitfaser l1, wird an deren Verspiegelung 22 reflektiert und gelangt auf demselben Weg zum Strahlteiler 2 zurück.
Der reflektierte, am Strahlteiler 2 auftretende Meß-Lichtstrahl ist gegenüber dem ebenfalls am Strahlteiler 2 auftretenden reflektierten Referenz-Lichtstrahl in umgekehrter Richtung zirkular polarisiert; die gegensinnig zirkular polarisierten Meß- und Referenz-Lichtstrahlen gelangen über die Analysatoren 15, l6 auf die Photoempfänger 5, 6; an den Analysatoren 15, 16 wird die Lichtwellenphaseninformation des jeweiligen Lichtstrahles in eine Amplitudeninformation umgesetzt.
Das t/4-Element 14 kann auch im Referenzzweig 10 angeordnet sein, da es lediglich darauf ankommt, daß die dem Anzeigezweig zugeführten reflektierten Lichtstrahlen gegensinnig zirkular polarisiert sind.
Wird die Meß-Lichtleitfaser 8 durch eine physikalische Größe, beispielsweise durch Dehnung x im Bereich A, beeinflußt, so ergeben sich an den Photoempfängern 5, 6 Interferenzdurchgänge im Abstand von zx = t/2.
Mit der Einrichtung läßt sich der Richtungssinn einer Längung der Meß-Lichtleitfaser 8 eindeutig erkennen, wie näher anhand des Diagrammes nach der Fig. 2 erläutert wird. Aufgetragen ist eine Verlängerunk und eine Verkürzug der Meß-Lichtleitfaser 8 über der Zeit und die sich an den Photoempfänger 5, 6 ergebenden Interferenzsignale I5, I6.
Tritt eine Verlängerung der Meß-Lichtleitfaser 8 auf, so eilt das mittels des Photoempfängers 5 gemessene Interferenzmaximum I5 dem vom Photoempfänger 6 gemessenen Interferenzmaximum I6 voraus; bei einer auftretenden Verkürzung der Meß-Lichtleitfaser 8 eilt dagegen das Interferenzmaximum I5 dem Interferenzmaximum I6 nach.
Mittels des Zäh. der Auswerteelektronik 19 werden die bei einer Längenänderung der Meß-Lichtleitfaser 8 durchlaufenen Interferenzmaxima richtungsabhängig in den Zähler eingelesen; die Anzeige am Zähler entspricht dann der Längenänderung, die die Meß-Lichtleitfaser 8 seit Meßbeginn erfahren hat, wobei der Wert positiv oder negativ sein kann, je nachdem, ob eine Verlängerung oder Verkürzung an der Meß-Lichtleitfaser 8 eingetreten ist.
Die Längenänderung wird vom Zähler in halben optischen Wellenlängen angegeben. Im Falle einer HeNe-Laserstrahlungsquelle 10 und einer Quarz-Monomode-Faser gilt: x = A,F/2 = N #o/2 . no/nF z N . 0,217 ijm dx = dN.#F/2 t dN . 0,217 µm F N - Anzahl der halben optischen Wellenlängen in der Faser x - Länge der Faser dN- Zählerstandsänderung dx- Längenänderung ohne Zugspannungsänderung ;LF- Wellenlänge in der Faser #o- Wellenlänge der Laserstrahlung in Luft; HeNe=0,6328pm n0 - Brechungsindex in Luft n0 = l nF - Brechungsindex der Faser nF # 1,47 Die Anzahl der bei Parameteränderungen erfolgenden Interferenzdurchgänge ergibt sich zu: dN = (2n / n )dx + (2x/#ono)dnF F oo Die Meß-Lichtleitfaser 8 kann als Dehnungssensor, als Temperatursensor und als Kraftsensor verwendet werden.
Wird die Meß-Lichtleitfaser 8 als Temperatursensor (Thermometer) benutzt, dann ist die durch die Temperaturänderung bedingte Zählerstandsänderung dN im wesentlichen durch den Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex nF und erst in zweiter Linie durch den Ausdehnungskoeffizienten bedingt. Mit einer l m langen Faser bestimmter Ausbildung ist allein durch Abzählen der Interferenzeffekte (dN = 1) ein Temperaturauflösungsvermögen dT 6 . 10-2 OC erzielbar.
Wird die Meß-Lichtleitfaser 8 als Kraftsensor verwendet, dann wird bei einer entsprechend ausgebildeten Faser bereits mit einer wirkenden Kraft K von 2,75 . lO 3p eine Zählersandsänderung dN = l erzielt.
Die Zugfestigkeit einer Quarzfaser liegt erheblich über der von Metallen; mittels einer mit Acrylharz beschichteten Faser ist eine Zugfestigkeit a # 500 kp/mm2 erreichbar; hat die Faser einen Durchmesser von 50 Fm, so ergibt sich eine maximal zulässige Belastung: kzul = 6 . q ts 1 kp q - elasto-optische Konstante Bei Gewichten bis etwa 1 kp kann die Nonomode-Faser selbst als Feder benutzt werden; bei der Messung großer Kräfte mit Meßdosen oder Meßstäben wird die Monomode- Faser derart mit den Meßgliedern verbunden, daß diese als Dehnungssensor wirkt.
Bei der interferometrischen Einrichtung nach Fig. 3 ist wieder eine Strahlungsquelle 1 vorgesehen, ein Strahlteiler 2, die beiden /4-Elemen-te 13, 14, die beiden Lichtleitfasern 8, ll, die Linsen 9, 12 und der Umlenkspiegel 3; die die Fasern 8, 11 durchlaufenden Lichtstrahlen werden bei dieser Einrichtung nicht reflektiert.
Hinter der Meß-Lichtleitfaser 8 ist eine Linse 30 und hinter dieser ein /4-Element 31 angeordnet; hinter der Referenz-Lichtleitfaser ist eine Linse 34 und ein Umlenkspiegel 35 angeordnet. Durch das t/4-Element 31 wird der auf einen teiltransparenten Teilerspiegel 36 auftreffende Meß-Lichtstrahl gegenüber dem ebenfalls auf diesem Spiegel 36 auftretenden Referenz-Lichtstrahl in umgekehrter Richtung zirkular polarisiert.

Claims

Patent ansprüche 1. Interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen, bestehend aus einer monochromatischen Lichtquelle, einem Strahlteiler zur Bildung eines Meß-und eines Referenz-Lichtstrahles für einen Meß- und einen Referenzzweig und einem Anzeige zweig mit zwei den Lichtstrahlen zugeordneten Photoempfängern, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) im unmittelbaren Strahlengang der Lichtquelle (1) ist vor dem Strahlteiler (2) ein erstes optisches Element (13) zur Umwandlung des linear polarisierten Lichtes der Lichtquelle (1) in ein zirkular polarisiertes Licht angeordnet, b) im Strahlengang des Meßzweiges (7) oder des Referenzzweiges (10) ist ein weiteres optisches Element (14) vorgesehen zur Umwandlung des zirkular polarisierten Lichtes in ein zum ursprünglichen Licht senkrecht linear polarisiertes Licht, c) vor jedem Photoempfänger (5, 6) ist ein optischer Analysator (15, 16) angeordnet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßzweig (7) eine von den physikalischen Größen beeinflußte Monomode-Lichtleitfaser (8) und im Referenzzweig (10) ein Spiegel (20) oder eine unbeeinflußte Monomode-Lichtleitfaser (11) angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderung der Meß-Lichtleitfaser (8) durch Abzählen der von den Photoempfängern (5, 6) erzeugten Interferenzsignale (I5, I6) mittels eines elektronischen Vorwärts-Rückwärtszählers erfolgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Strahlungsquelle (1) abgewandte Ende (21) der Meß-Lichtleitfaser (8) zwecks Reflektion des in die Faser eingebrachten zirkular polarisierten Lichtes verspiegelt ist.