DE3136448A1

DE3136448A1 - "faseroptisches messgeraet"

Info

Publication number: DE3136448A1
Application number: DE19813136448
Authority: DE
Inventors: Torgny 72474 Västerås Brogårdh; Lars Dipl.-Ing. 72218 Västerås Sander
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1980-09-24
Filing date: 1981-09-14
Publication date: 1982-06-24
Also published as: JPS5787000A; US4430565A; SE8006679L

Description

3 1364 AS .ι—

•·*_::'"_: ;"*;;"": -"· -· J NACHQEREIOHT

Patentanwalt und Rechtsanwalt · --i · !;---"-- ^m i ~~"

Dr.-Ing. Dipl.-lng. Joachim Bo ecke r * - "~ 6 Frankfurt'/Main 1 13. Juli 1981

"" Rathenauplatz2-8 20 998 P

Telefon: (0611) * 28 23 55

Telex: 4189066 itaxd ASEA Aktiebolag / Västeras, Schweden Faseroptisches Meßgerät

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

In der DE-OS 29 20 489 wird ein Meßgerät zur Messung physikalischer Größen beschrieben, das auf der Anwendung optischer Filter im Meßgeber zur Erzeugung von Meßsignalen und Stabilisierungssignalen für die Faseroptik und die Optoelektronik beruht. Um eine veränderliche nicht bekannte Dämpfung in den optischen Fasern zwischen Geber und elektronischer Auswertungseinheit zu kompensieren, muß ein Stabilisierungssignal erzeugt werden. Hierzu ist es erforderlich, daß die spektralen Eigenschaften des Gebers bei zwei Wellenlängen gemessen werden, wodurch man eine relativ komplexe Optoelektronik für die Meßelektronik erhält, und zwar insbesondere dann, wenn Leuchtdioden und Filter zugleich temperaturstabilisiert werden müssen. ■ "

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Meßgerät der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die eben genannten Nachteile sowie weitere

.31.3 6 kß 8 ~: —! 3.7.1981

20 998 P

• - 7 -

hiermit zusammenhängende Probleme im wesentlichen beseitigt sind.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Bei dem Meßgerät gemäß der Erfindung werden die durch die" Meßgröße verursachten Veränderungen des Spektrums des zum Geber gehörenden Filters gemessen, wobei nichttemperaturstabilisierte Lichtquellen und Fotodetektoren verwendet werden können. Das Meßgerät gemäß der Erfindung ist gegenüber sich ändernden, unterschiedlichen Dämpfungen und Reflexionen im lichtleitenden Fasersystem unempfindlich und beruht auf der Kreuzkorrelation zwischen zwei Filtern.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 eine Anordnung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Figur 2a das Reflexionsspektruni des Filters in der Gebereinheit,

Figur 2b, die Transmissionskurve des Filters in der Auswertungseinheit ,

:: : ι ι: ι \s ~. 20 998 P

Figur 2c das Kreuzkorrelationssignal, Figur 3a das Drehen des Filters in der Auswertungseinheit

bei Verwendung von Interferenzfiltern, Figur 3b eine Ausführungsform der Lichtkopplung über das

Filter der Auswertungseinheit, Figur 4 ein Ausführungsbexspxel eines Meßgerätes gemäß

der Erfindung zur gleichzeitigen Messung von

zwei Meßgrößen,
Figur 5a und 5b Reflexionsspektren für zwei verschiedene

Filter.

In einem Meßgerät nach Figur 1 wird eine Leuchtdiode 2 von einem Speiseglied 1 gespeist, wobei Licht durch eine lichtleitende optische Faser 3, eine Faserverzweigung 4 und eine optische Faser 14 zu einem Filter 5 in der Gebereinheit G geleitet wird, dessen Reflexionsspektrum R(A) als vollausgezogene Kurve in Figur 2a gezeigt ist. U in Figur 1 ist die Auswertungseinheit. In Figur 2a ist auch das Spektrum I(λ) der Lichtquelle dargestellt. Das vom Filter 5 reflektierte Licht wird durch die Faser 14 zur Verzweigung 4 geleitet, von der ein Teil des Lichtes über die Faser 6 zu einem Filter J der Auswertungseinheit U weitergeleitet wird, dessen Transmissionskurve T(λ) in Figur 2b gezeigt wird. Das Spektrum des Filters 7 stimmt im Großen und Ganzen mit dem Spektrum des Filters 5 überein. An dem Filter ist ein Detektor 9 angeordnet. In Figur 2b ist auch das Empfindlichkeitsspektrum O(¹X) des Detektors 9 abgebildet. Die Größe d des Detektorsignals kann in 1(λ), R(A), T(X) und D(A) ausgedrückt werden, und

-MQC/ /O -NACHg

J M b 4 n β 13 .TTP=FET

: " · ·„,· -; 20 998 P - 9 -

d = \ IQ) · R(A) · TCX) · D(>) · d>

Nun kann das Spektrum T(^) wellenlängenmäßig, also auf der Abszisse, um den WertA>=T nach T(Vf) verschoben werden, in dem die Temperatur eines Filterofens 8 für den Filter 7 von einem Glied 12 gesteuert oder geregelt wird. Gleichzeitig wird die Filtertemperatur von einem Glied 11 gemessen, das auch das Signal d für verschiedene Werte vonf, d.h. das Sig

nal ά{χ) = J IU.) · DO) · RQ) · T(λ-T) · d> analysiert, ο

Dieses ist die Kreuzkorrelation zwischen R und T, die ein Maximum hat, wenn R und T übereinstimmen, d.h. für T = -Δλ gemäß Figur 2c. Dadurch, daß das Kreuzkorrelationssignal in dem Glied 11 gemäß Figur 2c analysiert wird, kann die Wellenlängenverschiebung und Formveränderung von RQ) gemessen werden, wodurch man auch die Meßgröße erhält. R(λ) kann man direkt als den Reflex von einem Interferenzfilter erhalten. Werden Absorptionsfilter benutzt, ist es zweckmäßig, einen Spiegel auf deren Rückseite anzubringen, wenn nicht eine separate Faser benutzt wird, um das transmittierte Licht zum Detektor zu leiten.

Bei der Verwendung von Interferenzfiltern kann das Filter 7 statt erwärmt entsprechend Figur 3a gedreht werden. Der Drehwinkel cL bewirkt dabei eine Wellenlängenverschiebung X in dem oben genannten Ausdruck für d(X) . Ist das Filter 5 ein Interferenzfilter, so kann ein Teil des Filters mit garantiert

13.7. 20 998 P

- 10 -

demselben Reflexionsspektrum herausgeschnitten und als Referenzfilter 7 benutzt werden. Wie in Figur 3b gezeigt, wird das Licht vom Filter 5 des Gebers über die Verzweigung 16 und die Faser 15 zum Filter 7 geleitet, während ein Teil des vom Filter 7 reflektierten Lichtes über die Faser 15, die Verzweigung 16 und die Faser 17 zum Detektor 9 zurückgeleitet wird. Hierdurch kann man für die Filter 5 und 7 identische optische Verhältnisse erhalten, was scharfe Korrelationsspitzen ergibt.

Um eine möglichst große Korrelationsspitze zu erhalten (vgl. d(-&?U in Figur 2c), müssen die Filter 5 und 7 als Funktion der Wellenlänge möglichst große und dicht beieinanderliegende Reflexions- und/oder Transmissionsvariationen in ihren Spektren aufweisen. Eine angemessene Forderung ist es, daß mindestens zwei Reflexions- und/oder Transmissionsspitzen im Emissionspektrum I(λ) der Lichtquelle Platz finden. Geeignete Filter zur Erzielung eines Spektrums mit "Feinstruktur" sind Interferenzfilter, Fabry-Perrot-Resonatoren und Filter, die mit Substanzen dotiert sind, welche scharfe Absorptionsbänder ergeben. Bei den Interferenzfiltern wird eine der Dünnfilmschichten im Verhältnis zu den übrigen Schichten zweckmäßigerweise dick gewählt. Ein Fabry-Perrot-Resonator kann aus einer einige yum dicken Quarzplatte bestehen, die auf beiden Seiten mit einer Metallschicht belegt ist. Als Absorptionsfilter kann dotiertes Glas benutzt werden.

Das Meßgerät nach Figur 1 kann mit kleineren Modifikationen gemäß Figur 4 auch zur gleichzeitigen Messung von mehr als

NACHeEREICi-IT I

-^: -. ^: . - ' 20 998 P

- 11 -

einer Meßgröße benutzt werden. Wie aus Figur 4 hervorgeht, enthält der Geber beim gleichzeitigen Messen von zwei Meßgrößen zwei Filter 5 und 18. Die Meßgröße X, beeinflußt das Filter 5 und die Meßgröße Xp das Filter 18. Der Spektralanalysator enthält ebenfalls zwei Filter, 7 und 19, wobei das Spektrum des Filters 7 dem des Filters 5 möglichst gleich ist, während das Spektrum des Filters 19 dem des Filters 18 möglichst gleich ist. Wenn sich die Meßgrößen X₁ und X„ ändern, so werden die Spektren von 7 und 5 bzw. 19 und 18 voneinander abweichen, und diese Abweichung wird durch das anfangs beschriebene Korrelationsverfahren vom Detektor 9 erfaßt. Bei

ie- A

einer maximalen Korrelation ist X. '= X und X* = X„, wobei X₁ und X* die im Analysator simulierten Meßgrößen sind. Wenn beispielsweise X₁ die Temperatur abbildet und Xp die Temperatur und einen Magnetfeldwert abbildet, so können sowohl X₁ wie Xp"* eine Temperatur abbilden, wubei der Temperaturunterschied zwischen dem Filter 19 und dem Filter 7 den Magnetfeldwert beschreibt. Durch geeignete Wahl der Filter 7 und 19 können X₁ und ΧΓ auf andere Weise als durch Temperaturregelung oder -steuerung erzeugt werden, beispielsweise durch Drehung des Interferenzfilters, Erzeugung eines elektrischen Feldes über einem Fabry-Perrot-Resonator mit elektrooptischem "spacer" oder durch Erzeugung einer elektrischen Spannung für einen piezoelektrisch gesteuerten Fabry-Perrot-Resonator.

Beispiele für Reflexionsspektren für die Filter 5 und-7 bzw. 18 und 19 sind in Figur 5a bzw. 5b gezeigt. Wenn man das

/12

20 998 P

τ * λ ir

- 12 -

Spektrum als ein sinusförmiges Signal d+ß · sinCA)^ betrachtet, erkennt man, daßco für X. größer ist als ^₂ für X₂, und man erhält, was man bei elektrischen Signalen Frequenzmultiplexierung nennt. Theoretisch kann eine unbegrenzte Anzahl von Meßgrößen über dieselbe Faser 14 übertragen werden, indem ein Filter mit der Spektrumfrequenz CO. auf jede Meßgröße X. deduziert wird. Das Ausfiltern der Meßgröße X. wird durch Korrelation mit einem Filter vorgenommen, das auch die Spektrumfrequenz CO hat.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedanke'ns in vielfacher Weise variiert werden.

43
Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1.) Faseroptisches Meßgerät zum Messen physikalischer und chemischer Größen, bestehend aus einem Geberteil (G) und einer Auswertungseinheit (U), die über mindestens eine lichtleitende optische Faser (14) miteinander verbunden sind, wobei eine oder mehrere in der Auswertungseinheit vorhandene Lichtquellen (2) über den Lichtleiter (14) ein oder mehrere optische Spektfalfilter (5) im Geber (G) beleuchten, und mit einer in der Auswertungseinheit (U) befindlichen optischen Detektoranordnung zur Analyse des vom Geber (G) herrührenden Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung aus einem oder mehreren Fotodetektoren (9) besteht, die das Licht vom Geber (G) erfassen, nachdem dieses durch bzw. an ein oder mehrere zu der Detektoranordnung gehörende optische spektrale Filter (7) transmittiert und/oder reflektiert wurde, daß Glieder vorhanden sind zur Wellenlängenverschiebung des Transmissions- und/oder Reflexionsspektrums des Detektorfilters/der Detektorfilter, welche Wellenlängenverschiebung ein Maß für die aktuelle Meßgröße ist, wodurch der genannte Detektor (9) die Korrelation zwischen dem Spektrum des Geberfilters (5) und dem des Detektorfilters (7) bei verschiedenen Spektren des Detektorfilters (7), d.h. d(F_n) = F_n(A) · F

' dXmißt, wobei

und

die Spektren der Geber-

bzw. Detektorfilter sind, und daß die Korrelationswerte (d(F_n)) bei einer oder mehreren Spektralverteilungen am Detektorfilter (F_n) als ein Maß für den Zustand des Geberfilters (5) und somit für die aktuelle Meßgröße benutzt werden.

2. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (G) und die Detektoranordnung paarweise einander angepaßte "gematchte" optische Filter enthalten, wobei ein Filter im Geber (G) einem Detektorfilter entspricht, das zumindest in einem spektralen Teilbereich eine mit dem Filter im Geber übereinstimmende Spektrumsstruktur hat, und daß beim Vorhandensein von zwei oder mehr Geberfiltern diese untereinander unterschiedliche Spektren haben.

3. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte(n) Meßgröße(n) eine Wellenlängenverschiebung des Spektrums (Fp) des Geberfilters (5)bzw. der Geberfilter (5, 18) verursachen, daß die Auswertungseinheit (U) Mittel zur Wellenlängenverschiebung des Detektorfilters (7) der Detektorfilter (7, 19) enthält, und daß das Detektorsignal vom Fotodetektor (9) als Funktion der

bzw.

Wellenlängenverschiebung des Detektorfilters (7) [Her Detektorfilter (7, 19) einem Berechnun^sglied zur Analyse der Korrelation (d(F_D)) zwischen den Geber- und Detektorfilterspektren zugeführt wird.

j NAOHgEREiQHTJ

²⁰ "^{8 p}

— 3 —

A. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn-· zeichnet, daß die Geberfilter (5, 18) als Funktion der Wellenlänge verschieden schnell variierende Spektralkurven haben, d.h. daß F_G(A) = Fg{Ä + ^Ä* ) für verschiedene Werte von Δλ für die einzelnen Filter erfüllt wird (Figur 5), daß jedes Geberfilter von mindestens einer der Meßgrößen beeinflußt wird und daß eine Demultiplexierung der Meßgrößen durch das genannte Korrelationsverfahren mit je einem Detektorfilter für jedes Geberfilter erfolgt.

5. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter Interferenzfilter und/oder einfache oder Mehrkavitations-Fabry-Perrot-Resonatoren und/oder induzierte Transmissionsfilter und/oder Bragg-Filter und/ oder Doppelbrechungsfilter und/oder Absorptionsfilter mit schmalen Absorptionsbändern handelt, welche den Transmissions- und/oder Reflexionsspektren eine möglichst feine Struktur geben und dadurch ein möglichst großes Korrelations signal verursachen.

6. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenverschiebung des Geber- und/ oder Detektorfilterspektrums durch Temperatureinwirkung auf die optische Wellenlänge (n-d) in interferenzbasierten Filtern bewirkt wird.

7. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenverschiebung durch Drehung

von interferenzbasierten Filtern bewirkt wird.

8. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenverschiebung durch Einwirkung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern auf die optische Wellenlänge in elektrooptischen bzw. magnetooptischen Schichten in Interferenzfiltern bewirkt wird.

9. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenverschiebung durch mechanische Modulation der optischen Wellenlänge in Interferenzfiltern, beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer piezoelektrischer Modulatoren, bewirkt wird.

10. Faseroptisches Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenverschiebung durch Temperatur- oder Druckeinwirkung auf die wellenlängenmäßige Lage des Absorptionsspektrums des Absorptionsfilters bewirkt wird.

11. Faseroptisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Detektors (9) als Funktion eines oder mehrerer Parameter, wie Wcllenlängenverschiebung, relative Größe und Lage von Transmissions- und/oder Reflexionsspitzen und der Periodizität als Funktion der Wellenlänge für das Spektrum (Fp) des Detektorfilters (7) gemessen wird, daß die Auswertungseinheit Glieder zur Berechnung verschiedener Para-

136448

20 998 P

meter, wie Höhe, Breite und Lage der Korrelationsspitzen, Tiefe, Breite und Lage der Korrelationsminima und der relativen Abstände zwischen verschiedenen Korrelationsspitzen, zwischen verschiedenen Korrelationsminima und zwischen Korrelationsspitzen und Korrelationsminima enthält, und daß die ermittelten Parameterwerte der Korrelationssignale im Hinblick auf verschiedene Parameterwerte des Spektrums (Fp₁) des Detektorfilters zur Berechnung des Spektrums (Fq) des Geberfilters und damit des Meßsignals/der Meßsignale benutzt werden.