DE3031961C2 - Interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen - Google Patents

Interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen

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Description

tionsoptisches Element (33) zur Erzeugung des 45 sinn einer Bewegung interferometrisch festzustellen.
zweiten zirkulär polarisierten Lichts passiert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzzweig ebenfalls eine Monomode-Lichtleitfaser (11) angeordnet ist und daß den von der Strahlungsquelle (1) abgewandten Enden (21,22) der Monomode-Lichtleitfaser (8,11) des Meßzweiges (7) und des Referenzzweiges (10) für die aus den Fasern (8,11) austretenden Lichtbündel Linsensysteme (30, 34) mit dem im Meßzweig (7) angeordneten dritten polarisationsoptischen Element (33), mit einem Umlenkspiegel (35) im Referenzzweig (10) und mit einem Strahlteiler (36) für beide Lichtbündel zugeordnet sind, dem der Anzeigezweig nachgeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit ihr eine Deformationsinformation (Längung-Stauchung) einer Monomode-Lichtleitfaser erhalten wird, die auch den Richtungssinn der Belastung der Lichtleitfaser beinhaltet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die folgenden Merkmale gelöst:
Die Erfindung betrifft eine interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen, bestehend aus einer monochromatischen Lichtquelle, einem Strahlteiler zur Bildung eines Meß- und eines Referenz-
a) im unmittelbaren Strahlengang der Lichtquelle ist vor dem Strahlteiler ein erstes polarisationsoptisches Element zur Umwandlung des linear polarisierten Lichts der Lichtquelle in das erste zirkulär polarisierte Licht angeordnet,
b) im Strahlengang des Meßzweigs ist ein zweites polarisationsoptisches Element vorgesehen zur Umwandlung des ersten zirkulär polarisierten Lichts in ein zum ursprünglichen Licht senkrecht linear polarisiertes Licht,
b5 c) im Meßzweig ist eine von den physikalischen Größen beeinflußte Monomode-Lichtleitfaser angeordnet,
d) in das eine Ende der Monomode-Lichtleitfaser des
Meßzweigs ist das zum ursprünglichen Licht senkrecht linear polarisierte Licht eingekoppelt, welches entweder am anderen Ende der Monomode-Lichtleitfaser reflektiert wird, das zweite polarisationsoptische Element ein zweites Mal durchläuft und als zweites zirkulär polarisiertes Licht verläßt oder am anderen Ende der Monomode-Lichtleitfaser austritt und ein drittes polarisationsoptisches Element zur Erzeugung des zweiten zirkulär polarisierten Lichts passiert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dem Anspruch 2 zu entnehmen.
Durch die Erfindung wird das Vorzeichen des Meßeffekts eindeutig erfaßt, wodurch auch ein Richtungswechsel der physikalischen Größe ausgewertet werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur eine Monomode-Lichtleitfaser zur Messung erforderlich ist, wodurch ein digitales Meßergebnis mit sehr hoher Genauigkeit vorliegt.
Das Wesen der Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigt
Fi g. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem Meß- und einem Referenzzweig mit Lichtleitfasern sowie einem photoelektrischen Anzeigezweig, der mit den reflektierten Meß- und Referenzlichtstrahlen beaufschlagt wird.
F i g. 2 ein Signaldiagramm mit den bei einer Messung auftretenden Interferenzmaxima und
F i g. 3 eine gegenüber F i g. 1 abgewandelte Einrichtung, bei der Meß- und Referenzstrahl die Lichtleitfasern nur in einer Richtung durchlaufen.
Die interferometrische Einrichtung nach F i g. 1 umfaßt eine monochromatische Strahlungsquelle i, beispielsweise einen HeNe-Laser, einen teiltransparenten Strahlteiler 2, zwei Umlenkschwingungsspiegel 3, 4, zwei Photodetektoren 5,6, eine einem 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 λ 14-Polarisatorelement 13, ein hinter dem Strahlteiler 2 im Meßzweig 7 angeordnetes λ 14-Polisatorelement 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 Endver^piegelung 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 λ I 4-Elementes 13 ergibt sich ein zirkulär 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 λ 14-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
ίο die Faser 8, Linse 9 zum λ 14-Element 14 zurück, wird mittels dieses wieder zirkulär polarisiert (Rechtspfeil).
Dieser reflektierte, zirkulär polarisierte Meß-Lichtstrahl trifft auf den Strahlteiler 2.
Der mittels des λ 14-Elementes 13 zirkulär polarisierte Referenz-Lichtstrahl gelangt über den Umlenkspiegel 3 und die Linse 12 in die Referenz-Lichtleitfaser 11, 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 zirkulär polarisiert; die gegensinnig zirkulär polarisierten Meß- und Referenz-Lichtstrahlen gelangen über die Analysatoren 15, 16 auf die Photoempfänger 5, 6; an den Analysatoren 15, 16 wird die Lichtwellenphaseninformation des jeweiligen Lichtstrahles in eine Amplitudeninformation umgesetzt.
Das λ 14-Element 14 kann auch im Referenzzweig 10 angeordnet sein, da es lediglich darauf ankommt, daß die dem Anzeigezweig zugeführten reflektierten Lichtstrahlen gegensinnig zirkulär polarisiert sind.
Wird die Meß-Lichtleitfaser 8 durch eine physikalische Größe, beispielsweise durch Dehnung χ im Bereich A, beeinflußt, so ergeben sich an den Photoempfängern 5,6 Interferenzdurchgänge im Abstand von Jx = λ I 2.
Mit der Einrichtung läßt sich der Richtungssinn einer Längung der Meß-Lichtleitfaser 8 eindeutig erkennen, wie näher anhand des Diagrammes nach der F i g. 2 erläutert wird. Aufgetragen ist eine Verlängerung L und eine Verkürzung K der Meß-Lichtleitfaser 8 über der Zeit und die sich an den Photoempfänger 5, 6 ergebenden Interferenzsignale 15,16.
Tritt eine Verlängerung der Meß-Lichtleitfaser 8 auf. so eilt das mittels des Photoempfängers 5 gemessene Interferenzmaximum /5 dem vom Photoempfänger 6 gemessenen Interferenzmaximum /6 voraus; bei einer auftretenden Verkürzung der Meß-Lichtleitfaser 8 eilt dagegen das Interferenzmaximum /5 dem Interferenzmaximum /6 nach.
so Mittels des Zählers 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-
Vi 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 optisehen Wellenlängen angegeben. Im Falle einer HeNe-Laserstrahlungsquelle 10 und einer Quarz-Monomede-Fasergilt:
χ = NAF/2 = NAo/2 ■ nolnF = N ■ 0,217 μπι
dx = dN ■ λι-ll ~ dN ■ 0.217 μπι
N — Anzahl der halben optischen Wellenlängen in der Faser
a — Länge der Faser
dN — Zählerstandsänderung
dx — Längenänderung ohne Zugspannungsänderung
Af — Wellenlänge in der Faser /io — Wellenlänge der Laserstrahlung in Luft; He-Ne = 0,6328 μm
no — Brechungsindex in Luft no = 1
nr — Brechungsindex der Faser rir « 1,47
10
Die Anzahl der bei Parameteränderungen erfolgenden Interferenzdurchgänge ergibt sich zu;
dN = (2nF I Aon0)dx + (2x I Aono)dnF
15
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 dNim wesentlichen durch den Temperaturkoeffizienten des Brechungsindex npund erst in zweiter Linie durch den Ausdehnungskoeffizienten bedingt. Mit einer 1 m langen Faser bestimmter Ausbildung ist allein durch Abzählen der Interferenzeffekte (dN = 1) ein Temperaturauflösungsvermögen i/7"« 6 · 10~ 20C 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 · 10-3p eine Zählerstandsänderurg dN = 1 erzielt.
Die Zugfestigkeit einer Quarzfaser liegt erheblich über der von Metallen; mittels einer mit Acrylharz beschichteten Faser ist eine Zugfestigkeit σ « 500 kp/ mm2 erreichbar; hat die Faser einen Durchmesser von 50 μπι, so ergibt sich eine maximal zulässige Belastung:
k,ui = ο ■ q a 1 kp
q — elasto-optische Konstante
Bei Gewichten bis etwa 1 kp kann die Monomode-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 F i g. 3 ist wieder eine Strahlungsquelle 1 vorgesehen, ein Strahlteiler 2. die beiden A i 4-Elemente 13, 14, die beiden Lichtleitfasern 8, 11, 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 λ 14-Element 31 angeordnet; hinter der Referenz-Lichtleitfaser ist eine Linse 34 und ein Umlenkspiegel 35 angeordnet Durch das A14-EIement 31 wird der auf einen teiltransparenten Teilerspiegel 36 auftreffende Meß-Lichtstrahl gegenüber dem ebenfalls auf diesem Spiegel 36 auftretenden Referenz-Lichtstrahl in umgekehrter Richtung zirkulär polarisiert.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
65

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen, bestehend aus einer monochromatischen Lichtquelle, einem Strahlteiler zur Bildung eines Meß- und eines Referenz-Lichtbündels für einen Meß- und einen Referenzzweig, einem Anzeigezweig mit zwei den Lichtbündeln zugeordneten Photoempfängern zum Erfassen überlagerter Lichtbündel, wobei vor den Photoempfängern je ein optischer Analysator angeordnet ist, sowie mit diesen Analysatoren im Strahlengang vorgeordneten polarisationsoptischen Elementen, die die den Referenzzweig und den Meßzweig verlassenden Lichtbündel zueinander entgegengesetzt zirkulär polarisieren und damit ein erstes und ein zweites zirkulär polarisiertes Licht definieren, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
im unmittelbaren Strahlengang der Lichtquelle (1) ist vor dem Strahlteiler (2) ein erstes polarisationsoptisches Element (13) zur Umwandlung des linear polarisierten Lichts der Lichtquelle Lichtbündels für einen Meß- und einen Referenzzweig, einem Anzeigezweig mit zwei den Lichtbündeln zugeordneten Photoempfängern zum Erfassen überlagerter Lichtbündel, wobei vor den Photoempfängern je ein 5 optischer Analysator angeordnet ist. sowie mit diesen Anaiysatoren im Strahlengang vorgeordneten polarirationsoptischen Elementen, die die den Referenzzweig und den Meßzweig verlassenden Lichtbündel zueinander entgegengesetzt zirkulär polarisieren und damit ein
ίο erstes und ein zweites zirkulär polarisiertes Licht definieren.
Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 14 97 539 bekannt. Diese bekannte Einrichtung verwendet jedoch keine Monomode-Lichtleitfaser und ist daher auch nicht für die Messung solcher physikalischer Größen, wie Dehnung oder Temperatur, geeignet, die auf eine derartige Lichtleitfaser einwirken. Als Meßobjekt ist nach dieser Schrift nämlich lediglich ein Spiegel mit einer örtlichen Verdickung angesprochen.
Bei der Einrichtung gemäß »Applied Optics«, Band 17, Nr. 18, Seiten 2867 bis 2869, wird der Lichtstrahl einer monochromatischen Lichtquelle mittels eines Strahlteilers in zwei Lichtstrahlen geteilt, die jeweils in Monomode-Lichtleitfaser
eine Monomode-Lichtleitfaser eingekoppelt werden.
(1) in das erste zirkulär polarisierte Licht ange- 25 Diese Lichtleitfasern sind über einen Teil ihrer Länge ordnet, 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 beiden Lichtleitfasern sind ausgangsseitig 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. Die bekannte Einrichtung benötigt zwei Lichtleitfasern und ist für die Messung physikalischer Größen, wie Dehnung, Temperatur oder Kraft, nicht ohne weiteres geeignet, da der Richtungssinn der Längenänderung nicht erkannt wird.
In der DE-OS 30 27 476 ist noch vorgeschlagen worden, in Verbindung mit einer Monomode-Lichtleitfaser polarisiertes Licht zu verwenden.
Des weiteren ist es bekannt, aufgrund der Verwendung polarisationsoptischer Elemente den Richtungs-
im Strahlengang des Meßzweiges (7) ist ein zweites polarisationsoptisches Element (14) vorgesehen zur Umwandlung des ersten zirkulär polarisierten Lichtes in ein zum ursprünglichen Licht senkrecht linear polarisiertes Licht, im Meßzweig (7) ist eine von den physikalischen Größen beeinflußte Monomode-Lichtleitfaser (8) angeordnet,
in das eine Ende (23) der Monomode-Lichtleitfaser (8) des Meßzweigs (7) ist das zum ursprünglichen Licht senkrecht linear polarisierte Licht eingekoppelt, welches entweder am anderen Ende (21) der Monomode-Lichtleitfaser (8) reflektiert wird, das zweite polarisationsoptisehe Element (14) ein zweites Mal durchläuft und als zweites zirkulär polarisiertes Licht verläßt .oder am anderen Ende der Monomode-Lichtleitfaser austritt und ein drittes polarisa-
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