DE3127379A1

DE3127379A1 - Optisches netz zur uebertragung von sensordaten

Info

Publication number: DE3127379A1
Application number: DE19813127379
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 8033 Krailling Baues; Walter Prof. Dr.Rer.Nat. 8011 Neukeferloh Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1981-07-10
Publication date: 1983-01-27
Also published as: JPS5816398A; DE3127379C2

Description

Optisches Netz zur Übertragung von Sensordaten
Für die Übertragung von Meßwerten über Lichtwellenleiter kommen eine Reihe von Einsatzgebieten in Frage Hierzu zählen beispielsweise die Fertigungs und Prozeßkontrolle in der Industrie, die Militärtechnik, z. B, im Hinblick auf Fahrzeuge. und Flugkörper, und die Verkehrstechnik, z. B. bei der Steuerung von Motoren.
Die Vorteile für die Anwendung von Lichtwellenleitern in diesen Gebieten sind: Störunempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung im gesamten elektrischen und optischen Spektralbereich9 Einsatzmöglichkeiten bei hohen elektrischen Potentialdifferenzen und in explosionss gefahrdeten Gebieten, sowie Beständigkeit gegen die meisten aggressiven chemischen Substanzen sowie geringes Gewichte Bei dem derzeit üblichen eingeprägten 20-mA-Signal für die Meßwertübertragung gemäß einem bekannten Sbertragungssystem kommt man bereits nach Leitungslängen von ca. 500 m wegen des nicht zu vernachlässigenden Leitungswiderstandes auf hohe Spannungspegel, die sich nachteilig auf Netzgerätekosten (hoher Leistungsbedarf) und Weiterverarbeitung auswirken0 Demgegenüber können Lichtwellenleiter aufgrund der geringen Dämpfungen von ca. 1 dB/km bis 5 d3/km weit größere Entfernungen übertragen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Netzwerk zur Übertragung von Sensordaten zu schaffen, das die oben erläuterten Vorteile der Anwendung von Lichtwellenleitern ausnutzt und derart konzipiert ist, daß es universell zum Abtasten und Übertragen unterschiedlicher Meßgrößen geeignet ist. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein optisches Netz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale charakterisiert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße vorteilhafte Anordnung besteht zunächst aus einer Einrichtung zur elektrisch-optischen Energiewandlung, aus der Lichtleistung in einen Lichtwellenleiter eingespeist wird. Diese Lichtleistung wird über einen elektrooptischen Lichtmodulator, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft eines Sensors befindet, und einem zweiten Lichtwellenleiter zum Verwendungsort der Meßgröße zurückgeführt. Hier wird eine optisch-elektrische Wandlung vorgenommen,um die Meßgröße weiteren elektrischen Verarbeitungseinrichtungen zuführen zu können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer, Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Anordnung eines Moduls M, in dem ein Sensor beliebiger Art, der durch Einwirken einer Meßgröße ein elektrisches Signal ab.-gibt,vorgeseen ist, wobei dieses elektrische Signal auf den Steuereingang eines Lichtmodulators zum Modulieren einer Lichtleistung geführt wird.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines Block- schaltbildes für ein optisches Netz gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Vielzahl von Moduln M1 ... Mn mit einer Rechenanlage R zusammen wirken.
Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 einen Modul M, in dem ein Sensor 1 zum Abtasten einer Meßgröße MG vorgesehen ist. Der Sensor 1 weist Signalausgangspunkte 11 u. 12 auf, über denen entsprechend der einwirkenden Meßgröße MG ein elektrisches Signal in Form einer Spannung, die die Meßgröße repräsentiert, auftritt. Dieses Signal S wird einem Lichtmodulator 2 über dessen Steueranschlußpunkte 21 u. 22 zugeführt. Der Lichtmodulator 2 empfängt eine un modulierte Lichtleistung L über einen Eingangslichtwellenleiter 3 und gibt eine modulierte Lichtleistung L' über einen Ausgangslichtwellenleiter 4 ab. Die Modulation der Lichtleistung entspricht dabei der jeweiligen Meßgröße.
Der Eingangslichtwellenleiter 3 empfängt die unmodulierte Lichtleistung L aus einem elektrooptischen Wandler 30, dem ein elektrisches Eingangssignal e über einen Signaleingang E zugeführt wird. Der Ausgangslichtwellenleiter 4 gibt die modulierte Lichtleistung L' an einen optoelektrischen Wandler abs der seinerseits ein elektrisches Ausgangssignal a an einen Signalausgang A weiterleitet.
Wie Fig. 2 zeigt, können mehrere Moduln M1 ... Mn auf eine gemeinsame Einrichtung, beispielsweise eine Rechen anlage R, wirken. Die Moduln sind dazu mit ihren Signaleingängen/-ausgängen A/E an jeweils individuelle Schnittstellenschaltungen 51 ... 5n angeschlossen, die ihrerseits mit einer Datenempfangs- und Verarbeitungseinrichtung 5 verbunden sind. Die Schnittstellenschaltungen 51 ooe 5n und die Datenempfangs° und Verarbeitungsein richtung 5 können9 wie dies beispielhaft in Fig. 2 gezeigt ist, Bestandteile einer Rechenanlage R sein. Es sind mit dem erfindungsgemäßen optischen Netz jedoch -ohne dabei den Rahmen der Erfindung verlassen zu müssen - völlig anderartige Netzstrukturen mit andersartigen gemeinsamen Einrichtungen realisierbar.
Der elektrooptische Modulator kann ein elektrooptischer Braggablenker für optische Oberflächenwellen oder ein Monomodewellenleitermodulator sein.
Die von diesen Modulatoren benötigten Spannungen liegen im Millivolt- bis Voltbereich. Diese Spannung wird dem Modulator von einem Sensor zugeführt, der die zu messende Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. Häufig benötigt werden z. B. Meßwerte von Positionr Geschwindigkeit, Drehzahl, Stückzahl, Temperatur, Druck, Schalldruck, Winkel, Strahlung etc. Es gibt eine Fülle von Sensoren, die diese Meßgrößen in elektrische Signale umsetzen, die für den Anschluß an den elektrooptischen Modulator geeignet sind. Physikalische Effekte, die hierfür z. B. genutzt werden, sind der Piezoeffekt, der Photoeffekt, der Halleffekt, der pyroelektrische Effekt, der Dopplereffekt etc..
Wichtig ist, daß der Sensor der Meßgröße eine ausreichende Menge Energie entzieht, um den elektrooptischen Modulator anzusteuern. Diese Energie ist allerdings äußerst gering, denn der elektrooptische Modulator stellt, elektrisch gesehen, eine sehr kleine Kapazität im Pikofaradbereich dar. Die Steuerung des Lichtdurchganges durch den Modulator erfolgt verlustfrei.
Die Lichtwellenleiter können Stufenprofil-, Gradienten-oder Monomodewellenleiter sein. Dickkernfasern mit besonders großem Kernquerschnitt kommen gleichfalls infrage.
Die Einrichtung zur Umwandlung elektrischer in optische Leistung am Eingang können Lichtsender der verschiedensten Art sein: Laser jeder Art, darunter Halbleiterlaser, Festkörperlaser, Gaslaser sowie Lumineszenzdioden. Zur Herstellung von Halbleiterlasern, vgl. beispielsweise Panish, M.B.: "Heterojunction Lasers", IEEE MTT-23 (1975), 5. 20 - 30 und Lumineszenzdioden, vgl. beispielsweise Lebailly, J.: "Situation des diodes electroluminescentes pour liaisons par fibres optiquesfl, Acta Electronica 22 (1979), Nr. 4, 301-310, werden je nach Lichtwellenlänge verschiedene Materialien für den Emissionsbereich benutzt, z. B. ternäre Halbleiter wie (GaA1)As oder (InGa)As bzw.
quaternäre Halbleiter wie (GaIn)(AsP), vgl. beispielsweise Heinlein, W.;Witte, K.H.: "digitale Übertragung über optische Wellenleiter im Wellenlängenbereich oberhalb 1 Frequenz 32 (1978), No. 3, 79-84. Für Lumineszenzdioden kommen auch binäre Halbleiter wie GaP infrage. Gaslaser sind z. B. He-Ne-Laser.
Zur Umwandlung der optisch empfangenen Meßgrößen in ein elektrisches Signal werden Photodioden oder Avalanchephotodioden, möglicherweise mit nachgeschalteter Verstärkung benutzt. Die Photodioden bestehen meist aús Silizium, vgl.
beispielsweise Melchior, H.: "Sensitive high speed photodetectors for the demodulation of visible and near infrared light ", J. Luminescence 7 (1973), S. 390-414, aber auch Germaniumphotodioden, vgl. beispielsweise Ando, H.; Kanbe, H.; Kimura, T.; Yamaoka, T.; Kaneda, T,: "Characteristics of Germanium Avalanche Photodiodes in the Wavelength Region of 1-1.6, IEEE QE-14 (1978), No. 11, S.
804-809, für größere Wellenlängen des Lichtes kommen infrage. Wie die Laser- und Lumineszenzdioden können die Photodioden auch aus ternären oder quaternären Halbleitern (s. o.) hergestellt werden, vgl. beispielsweise Lebailly, Jc: "Situation des diodes electroluminescentes pour liaisons par fibres optiques,'S Acta Electronica 22 (1979), Nr. 4, S. 301-310 und Heinlein, M; Witte9 K.H: "Digitale Übertragung über optische Wellenleiter im Wellenlängenbereich oberhalb 1 µm", Frequenz 32 (1978), No. 3, S. 79-84.
20 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims

Patentansprüche: Optisches Netz zur Übertragung von Sensordaten, « a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Netz zumindest ein Modul (M) vorgesehen ist, der über einen Signaleingang (E) und einen Signalausgang (A) mit einer weiteren Netzkomponente, beispielsweise einer Rechenanlage (R), verbunden ist, daß der Modul (M) einen Sensor (1) enthält, der ein elektrisches Signal (S) bei Einwirken einer Meßgröße (MG) auf sich abgibt, daß der Modul (M) einen elektrooptischen Lichtmodulator (2) enthält, dem das elektrische Signal (S) über seine Steuer anschlußpunkte (21, 22) von Signalausgangspunkten (11,12) des Sensors (1) her zugeführt wird, und daß dem elektrooptischen Lichtmodulator (2) eine unmodulierte Lichtleistung (L), die durch Wandlung eines elektrischen Eingangssignals (e) mittels eines elektrooptischen Wandlers (30) in ein optisches Eingangssignal gewonnen wird, über einen Eingangslichtwellenleiter (3) zugeführt wird und eine modulierte Lichtleistung (L2) über einen Ausgangslichtwellenleiter (4) entnommen wird, wobei die modulierte Lichtlelstung (lot) ein optisches Ausgangssignal repräsentiert, das mittels eines optoelektrischen Wandlers (40) in ein elektrisches Ausgangssignal (a) gewandelt wird, welches über den Signalausgang (A) abgeführt wird.
2 Optisches Netz nach anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der elektrooptische Lichtmodulator (2) ein Bragg<AbleAker ist.
3. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der elektrooptische Lichtmodulator (2) ein Monomode-Lichtwellenleitermodulator ist.
4. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (1) ein Piezoeffekt-Sensor ist.
5. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (1) ein Photoeffekt-Sensor ist.
6. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (1) ein Halleffekt-Sensor ist.
7. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (1) ein Dopplereffekt-Sensor ist.
8. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (1) ein auf dem pyroelektrischen Effekt basierender Sensor ist.
9. Optisches Netz nach einem der Ansprüche 4 - 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß zur Anpassung der Scheinwiderstände des Sensors (1) und des elektrooptischen Lichtmodulators (2) ein Anpassungsglied, beispielsweise ein Spannungswandler, zwischen den Sensor (1) und den elektrooptischen Lichtmodulator (2) geschaltet ist.
10. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i ch n e t , daß der Eingangslichtwellenleiter (3) und/oder der Ausgangslichtwellenleiter (4) jeweils ein Stufenprofil-Licbtwellenleiter ist.
11. Optisches Netz nach Anspruch 1-, d a d u r c h g e -k e n n..z e i c h n e t , daß der Eingangslichtwellenleiter (3) und/oder der Ausgangslichtwellenleiter (4) jeweils ein Gradienten-Lichtwellenleiter ist.
12. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g-e - k e n n z e i c h n e t , daß der Eingangslichtwellenleiter (3) und/oder der Ausgangslichtwellenleiter (4) jeweils ein Monomode Lichtwellenleiter ist.
13. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Eingangslichtwellenleiter (3) undtoder der Ausgangslichtwellenleiter (4) jeweils ein Dickkernfaser-Lichtwellenleiter mit relativ großem Kernquerschnitt ist
14. Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t 9 daß der elektrooptische Wandler (30) einen Laser enthält.
15. Optisches Netz nach Anspruch 19 d a d u r c h g e k e n n z e i c h.n e t 9 daß der elektrooptische Wandler (30) eine Lumineszenzdiode LED enthält.
16. Optisches Netz nach Anspruch 19 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der optoelektrische Wandler (40) eine Photodiode enthält.
170 Optisches Netz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der optoelektrische Wandler (40) eine Avalanchephotodiode enthält.
18. Optisches Netz nach Anspruch 19 d a d u r c h g e k e n n z e i e h net , daß der optoelektrische Wandler (40) einen Phototransistor enthält.
190 Optisches Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Vielzahl von Moduln (N1, M2 ... Mn) vorgesehen sind, die jeweils über eine individuelle zugeordnete Schnittstellenschaltung (51 52 o.o 5 an individuelle Signaleingänge einer Datenempfangs und Verarbeitungseinrichtung (5) angeschlossen sind.
20. Optisches Netz nach Anspruch 19, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schnittstellenschaltungen (51 52 ... 5n) und die Datenempfangs- und Verarbeitungseinrichtung (5) Bestandteile einer Rechenanlage (R) sind.