DE3203347C2 - Sensoranordnung zur Messung eines physikalischen Parameters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Messung eines physikalischen Parameters nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Eine Anordnung der genannten Art ist aus der US 3 882 718 be­ kannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist der mechanische Os­ zillator durch einen unter Innendruck stehenden Behälter, beispielsweise der Augapfel, gebildet, dessen Oberfläche zu Schwingungen angeregt wird, wobei der zu messende physikali­ sche Parameter der Innendruck des Behälters ist. Das Meßprin­ zip dieser bekannten Anordnung basiert auf einer Frequenzmes­ sung.

Aus der EP 0 010 221 A1 ist eine faseroptische Sensoranord­ nung bekannt, die zur Messung eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung dient. Das zu messende elektri­ sche Signal wird in eine mechanische Bewegung eines Gebers umgewandelt, die einen Lichtstrahl moduliert. Diese Anordnung nutzt keine frequenzmäßige Schwingbewegung des Gebers aus, sondern macht Gebrauch von einer Amplitudenmessung, die stö­ renden Umwelteinflüssen ausgesetzt ist.

Aus der DE 27 19 937 A1 ist es bekannt, einen zu messenden physikalischen Parameter, z. B. eine Thermoelementspannung, in eine frequenzmodulierte Größe umzuwandeln, wobei diese fre­ quenzmodulierte Größe noch auf eine Trägerfrequenz mit sehr kleinem Tastverhältnis moduliert wird, um eine von dieser Größe angesteuerte Leuchtdiode nicht zu sehr zu belasten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung der ein­ gangs genannten Art bereit zustellen, die es bei einfacher Struktur gestattet, nicht nur den Innendruck von Behältern, sondern auch andere Drucke und andere physikalische Parame­ ter, wie beispielsweise die Temperatur, zu messen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung liegen im folgenden: Sie kann relativ einfach und billig hergestellt werden. Sie benötigt zur Erhaltung eines Meßsignals von der von der Auswerteseite entfernten Meßseite eine einzelne Lichtquelle. Sie kann bei selbst fahrenden oder sich selbst bewegenden Systemen oder Verfahren verwendet werden. Die erfindungsgemäße Sensoran­ ordnung basiert auf einer Frequenzmessung, so daß eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann. Die vom Frequenzdetektor gemessene Frequenz zeigt den Wert des physikalischen Parame­ ters an.

Unter dem Begriff "langgestreckter, stabförmiger Körper" sind eine schwingende Saite oder ein schwingender Faden und alle Arten von schwingungsfähigen Stäben, Blättern, Blattfedern und Platten zu verstehen, deren Schwingungsfrequenz durch einen physikalischen Parameter beeinflußbar ist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge­ mäßen Sensoranordnung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 14 hervor.

Bevorzugte Ausführungsformen oder -beispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein faseroptisches Meßsystem mit einer er­ findungsgemäßen Sensoranordnung zur Messung eines physikalischen Parameters;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere erfindungs­ gemäße Sensoranordnung, die eine schwingende Saite aufweist;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs­ gemäßen Sensoranordnung, die jener nach Fig. 2 ähnelt;

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes faseroptisches Meßsystem mit einer Sensoranordnung zur Messung eines Druckes;

Fig. 5 eine Teilansicht einer faseroptischen Meß­ einrichtung mit einer elektromechanischen Vor­ richtung zum Starten und zur Aufrechterhaltung der Schwingungen einer Saite;

Fig. 6 ein Diagramm, das Erregerimpulse und gedämpfte Oszillationen einer Saite zeigt;

Fig. 7 eine andere erfindungsgemäße Sensoranordnung, welche Drehschwingungen ausführt;

Fig. 8 ein faseroptisches Sensor- oder Abtastsystem mit einer elektronischen Rückkopplungsein­ richtung;

Fig. 9 ein Zeitdiagramm, welches Impulse zur Erregung des Systems nach Fig. 8 zeigt;

Fig. 10 ein Zeitdiagramm, das den Ausgangslichtstrahl des in Fig. 8 dargestellten Systems zeigt, der Halbwellen aufweist;

Fig. 11 ein anderes faseroptisches Abtastsystem, das einen Meß- und einen Referenzlichtweg auf­ weist;

Fig. 12 ein anderes faseroptisches Abtastsystem, das einen schwingenden Kristall aufweist;

Fig. 13 einen elektrischen Versorgungsschaltkreis zur Erregung des Kristalls nach Fig. 12;

Fig. 14 ein faseroptisches Abtastsystem, welches eine über eine faseroptische Übertragungsleitung laufende Energieversorgung aufweist;

Fig. 15 ein Querschnitt durch eine in dem System gemäß Fig. 14 verwendbare Übertragungslei­ tung; und

Fig. 16 einen Querschnitt durch eine andere, in dem System gemäß Fig. 14 verwendbaren Übertra­ gungsleitung.

Elemente und Komponenten, die einander entsprechen, sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In der in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Sensoran­ ordnung zum Messen eines physikalischen Parameters p ist die Meßstelle, bei welcher der Parameter p herrscht, von der Auswertungsstelle entfernt.

Eine Lichtquelle oder ein Sender 2 wird durch eine Lichtstrahlsteuereinheit 4 gesteuert. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) oder ein Laser sein. Der von der Lichtquelle 2 ausgesandte Lichtstrahl 6 wird auf das erste oder eingangsseitige Ende eines faseroptischen Übertragungs­ kabels oder einer faseroptischen Übertragungsleitung 8 gerichtet, das bzw. die ein Zweigelement 10 herkömm­ lichen Aufbaus enthält.

Am zweiten oder ausgangsseitigen Ende der faseroptischen Übertragungsleitung 8 ist eine Sensoranordnung mit einer Oszillatorein­ richtung 12 angeordnet, welche die Amplitude des auftreffenden Lichtstrahls 6 moduliert. Die Oszillatoreinrichtung 12 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfre­ quenz durch den zu messenden physikalischen Parameter p besteht. Insbesondere umfaßt die Oszillatoreinrichtung 12 ein Gehäuse 14, in dessen Inneres das zweite Ende der faseroptischen Übertragungsleitung 8 führt. Das Innere des Gehäuses 14 enthält auch ein dünnes Blatt, einen dünnen Streifen oder eine dünne Blattfeder 16, das bzw. die senkrecht zur Endfläche der faseroptischen Übertragungsleitung 8 bewegbar ist. Die Verschiebung erfolgt unter dem Einfluß des physikalischen Parameters p. Die Blattfeder 16 ist an einem Ende von einem Lager 18 gehalten oder gestützt. Am anderen Ende der Blatt­ feder 16 ist ein länglicher Spiegel 20 vorgesehen. Der Spiegel 20 kann aus einem dünnen lichtreflektieren­ den Überzug oder Belag am oberen Ende der Blattfeder 16 bestehen. Der Spiegel 20 ist so angeordnet, daß er der Endfläche der Leitung 8 gerade gegenüberliegt und so das auftreffende Licht in allen möglichen Stellungen der Feder 16 reflektieren kann.

Die Blattfeder 16 und der Spiegel 20 bilden die mechanische Oszillatoreinrichtung, die in der durch den Doppelpfeil 22 angedeuteten Richtung, d. h. um das Lager oder die Stütze 18, schwingen kann. Die Schwingungsfrequenz hängt von der Länge der Blattfeder 16 ab. Eine Änderung dieser Länge in Abhängigkeit von dem Parameter p hat dementsprechend eine Änderung der Frequenz in der Amplitudenmodulation des reflektierten Lichts zur Folge. Das reflektierte Licht geht durch das Zweig- oder Abzweigelement 10 und eine zweite faseroptische Übertragungsleitung 24. Der modulierte Lichtstrahl 26 kommt schließlich an einem Lichtempfänger 28 an, beispielsweise eine Fotodiode oder eine Fotozelle. Der Lichtempfänger 28 ist elek­ trisch an eine Frequenzdetektoreinrichtung angeschlos­ sen, die zum Messen der Schwingungsfrequenz des modu­ lierten Lichtstrahls 26 vorgesehen ist. Die lichtemp­ findliche Einrichtung 28 ist auf der gleichen Seite angeordnet, wie die lichtemittierende Einrichtung 2. Das Ausgangssignal a der Frequenzdetektoreinrichtung zeigt den Wert des physikalischen Parameters p an. Die Messung des physikalischen Parameters p wird als eine Messung der Frequenz der Schwingungseinrichtung 16, 20 ausgeführt. Im allgemeinen ist es leichter und genauer die Frequenz eines Signals zu messen oder digitale Werte zu bestimmen, als analoge Parameter zu messen. Erfindungsgemäß kann die Messung des Parameters grundsätzlich auf die Zählung von Impulsen oder auf eine Resonanzmethode reduziert werden, welche nur einen geringen elektronischen Aufwand erfordern. Durch die Anwendung zweier faseroptischer Übertragungsleitungen 8 und 24 werden Signalverschlechterungen weitgehend eliminiert.

In den Fig. 2 und 3 ist eine andere Ausführungsform einer schwingenden Sensoreinrichtung dargestellt. Diese Sensoranordnung enthält auch eine eingangsseitige faseroptische Übertragungsleitung 8, einen geeigneten Oszillator 16 und eine ausgangsseitige faseroptische Übertragungsleitung 24. In dieser Ausführungsform besteht der Oszillator 16 aus einem dünnen Stab oder schwingenden Faden 16, der zwischen Haltevorrichtungen 32 und 34, beispielsweise Platten oder Brettern, unter einer gewissen Spannung gehalten ist. Der Faden oder die Faser 16 weist entlang seiner Längsachse gleich­ mäßige Dicke auf. Die Enden des Fadens 16 sind in Bezug auf die Haltevorrichtungen 32 jeweils fixiert. Die untere Haltevorrichtung 34 ist auch in Bezug auf die faseroptische Übertragungsleitung 8 und 24 fixiert, wo hingegen die obere Haltevorrichtung 32 in Richtung der Längsachse des Fadens 16 bewegbar ist. Eine Ver­ schiebung wird unter dem Einfluß des physikalischen Parameters p ausgeführt, welcher die Spannung des Fadens 16 bestimmt.

Nach den Fig. 2 und 3 können die sich gegenüberliegenden und einen Spalt zwischen sich definierenden Endflächen der Leitungen 8 und 24 mit jeweils einer Linse 36 bzw. 38 versehen sein. Die Linse 36 wird zum Konzentrieren des Lichtstrahls 6 auf den Faden 16 benutzt und die Linse 38 zum Sammeln und Einkoppeln des Lichts in die Übertragungsleitung 24. Wenn Übertragungsleitungen 8 und 24 geringen Durch­ messers verwendet werden, können die Linsen 36 und 38 weggelassen werden. In den Fig. 2 und 3 sind Zylin­ derlinsen verwendet. Anstelle dessen können auch eine oder mehrere Keilformen verwendet werden. In einer Ruhe- oder Nullstellung ist der Faden 16 in den Brenn­ punkten oder Linien der beiden Linsen 36 und 38 ange­ ordnet.

Der Durchmesser des Fadens 16 entspricht vorzugsweise dem Durchmesser der faseroptischen Übertragungsleitun­ gen 8 und 24 oder ist kleiner als dieser. In den Aus­ führungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 ist der Durchmesser des Fadens 16 viel kleiner als der Durch­ messer der Leitungen 8 und 24. Da der Faden 16 in der Brennlinie der Linse 36 angeordnet ist, sammelt er alles Licht aus der Leitung 8.

Während des Betriebes wird die Lichtübertragung von der eingangsseitigen Leitung oder Eingangsleitung 8 zur ausgangsseitigen Leitung oder Ausgangsleitung 24 durch den Faden 16 periodisch unterbrochen. Der Faden 16 schwingt in dem Spalt zwischen den beiden Faser­ leitungen 8 und 24 in der Richtung des Lichtstrahls. Die gestrichelt dargestellten Positionen 40 und 42 zeigen die beiden Schwingungsendpunkte, bei denen wenig oder kein Licht abgelenkt oder absorbiert wird. In der mittleren Stellung oder Nullstellung zwischen den Schwingungsendpunkten 40 und 42 bedeckt der Faden 16 die Brennlinie der Linse 36, wodurch der Licht­ durchgang oder die Lichtübertragung zur Ausgangslei­ tung 24 vollständig unterbrochen wird. Für die Funktion der Sensoreinrichtung ist es nicht absolut notwendig, daß der Faden 16 in seiner Nullstellung den Brennpunkt oder die Brennlinie vollständig ab­ deckt.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Sensor­ anordnung zum Messen eines Gas- oder Flüssigkeits­ druckes dargestellt. Mit dieser Ausführungsform kann anstelle eines Druckes jeder physikalische Parameter p gemessen werden, dessen Änderung zu einer mechanischen Änderung der Spannung in dem Faden 16 führt. Der Faden oder die Faser 16 ist in einem Spalt zwischen dem ausgangsseitigen Ende und dem eingangsseitigen Ende der Eingangsleitung 8 bzw. Ausgangsleitung 24 angeordnet.

Diese Enden sind durch ein Gehäuse 14 geschützt. Ein Ende des Fadens 16 ist an einer Trägerplatte 44 ange­ bracht, welche die untere Endfläche eines Balgab­ schnitts 46 abdeckt. Der Balgabschnitt 46 ist mit seinem oberen Ende an dem Gehäuse 14 befestigt. Das Innere des Balgabschnitts ist entweder dem Umgebungs­ druck ausgesetzt oder gemäß Fig. 4 mit einem Rohr 48 verbunden, dessen Innendruck zu messen ist. An einem Ende des Fadens 16 kann ein mit einem Gewinde ver­ sehenes Befestigungselement oder eine Schraube 49 oder eine andere Einstellvorrichtung zum Steuern der Spannung des Fadens vorgesehen sein.

Die Oszillationsfrequenz des Fadens 16 ist eine Funktion der Position der Träger- oder Endplatte 44 und dadurch bis auf die Trägerplatte 44 ausgeübten Druckes und ändert sich entsprechend. Die mechanischen Schwingun­ gen des Fadens 16 haben entsprechende Änderungen der übertragenen Lichtintensität zur Folge. Das modulierte Licht wird durch eine zweite faseroptische Leitung 24 zur Lichtabtasteinrichtung 28 geführt. Die Frequenz des übertragenen Lichtes wird von der lichtempfindlichen Einrichtung 28 und der Frequenzmeßeinrichtung 30 ge­ messen. Eine einfache digitale Zähl- oder Resonanz­ einrichtung auf der Eingangsseite der Einrichtung 30 zur Frequenzmessung ermöglicht eine digitale Sensor­ ablesung, die frei von Übertragungsproblemen ist. Das Ausgangssignal a zeigt den Wert des Parameters an.

Die Saite 16 kann, wie in Fig. 4 angedeutet, in der Richtung des Lichtstrahls (siehe Pfeil 22) schwingen. Es ist jedoch auch möglich, daß der Faden 16 senkrecht zur Übertragungsrichtung, d. h. senkrecht zur Zeichen­ ebene der Fig. 4 schwingt. In einer derartigen Aus­ führungsform wird die übertragene Lichtintensität ent­ sprechend der Schwingfrequenz moduliert.

In den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 4 ist eine Art Erregungseinrichtung zum Auslösen und Aufrechterhalten der Schwingungen erforderlich. Diese Schwingungen können aufgrund von Schwingungsdämpfungen verlorengehen und erfordern deshalb eine Energiequelle. Die Schwingungen des mechanischen Oszillators 16 in den Fig. 1 bis 4 können beispielsweise von einem Medium verursacht werden, welches aufgrund seiner eigenen Funktion oder Eigenschaft schwingt oder vibriert. Die Sensoreinrichtung 12 kann beispielsweise an einem Motor eines Kraftfahrzeugs angebracht sein, der während des Betriebes vibriert. Die Erregung der Schwingungen kann auch durch eine Zündeinrichtung oder eine Auslenk­ einrichtung erfolgen, welche eine Hilfsquelle für Energie aufweist, die auf der Sensorseite oder der Auswertungsseite der faseroptischen Übertragungs­ leitung 8 und/oder 24 angeordnet ist. Diese Auslenkein­ richtung kann beispielsweise aufgrund optischer, mechani­ scher, elektrostatischer und/oder elektromagnetischer Prinzipien arbeiten. Die Hilfsenergiequelle kann bei­ spielsweise eine Batterie oder eine Fotozelle sein.

In der Fig. 5 ist eine elektromechanische Ausführungs­ form einer Auslenkeinrichtung oder eines mechanischen Schwingungserregers 50 dargestellt. Diese Vorrichtung 50 umfaßt ein kleines ferromagnetisches Element 52, welches an dem Faden 16 angebracht ist. Neben dem Element 52 ist eine solenoidartige Spule 54 angeordnet, die durch eine Serie von kurzen Impulsen aus einem elektrischen Oszil­ lator oder Zeitgeber 56 angeregt wird. Die Frequenz der Ausgangsimpulse kann durch ein Steuersignal c ge­ steuert werden, welches aus einer Steuereinheit stammt. Jeder Ausgangsimpuls bewirkt, daß das Element 52 von der Spule 54 angezogen wird. Dies hat zur Folge, daß der Faden 16 mit einer Frequenz bewegt wird, die durch die Frequenz des Zeitgebers 56 bestimmt ist. Die Er­ regerfrequenz sollte in der Nähe der Schwingfrequenz liegen.

Das Diagramm gemäß Fig. 6 zeigt, daß die Energie zur Erregung des Fadens 16 optisch auf die Meßseite über­ tragen werden kann. Nach Fig. 6 werden starke Licht­ impulse oder Erregerimpulse 60 wiederholt von der Lichtquelle 2 durch die Eingangsleitung 8 zum Faden 16 übertragen. Diese Lichtimpulse sollten eine ausrei­ chende Energie aufweisen, so daß sie die Oszillation der Sensoranordnung 12 durch den Moleküldruck des aufgewärmten Fadens 16 auslösen. Dieses Prinzip ist schon bei dekorativen Glaseinheiten verwendet worden, die Rotoren enthalten, welche die Rotationsenergie von einem transversalen "Lichtdruck" auf metallischen bzw. schwarzen Flächen erhalten. Um dieses Prinzip an­ wenden zu können, sollte eine Seite des Fadens oder der Blattfeder 16 eine schwarze Oberfläche aufweisen. Dekorative Glaseinheiten sind auch als Radiometer bekannt.

Wie aus der Fig. 6 hervorgeht, fällt die Amplitude der ausgelösten Schwingung entsprechend der Dämpfung des Oszillators 16 in seiner Umgebung. Die Frequenz der gedämpften Schwingung ist ein Maß für den Wert des Parameters p. Grundsätzlich reicht eine einzige Auslenkung des Fadens 16 für eine Messung auf. Es ist jedoch vorteilhaft, den Faden wiederholt oder periodisch auszulenken, um einen Mittelwert einer Frequenz zu er­ halten. Wenn eine niedrige Auslenkfrequenz verwendet wird, muß die Schwingungsperiode zwischen zwei Erreger­ impulsen 60 ausreichend für die Messung der Frequenz sein.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Energie, welche optisch zur Meßseite übertragen wird, in elektrische Energie umgewandelt und von einer Speichereinrichtung, beispielsweise einem Kondensator, gespeichert werden kann.

Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer passiven Oszillatoreinrichtung 12, die der in Fig. 4 dargestell­ ten Einrichtung ähnlich ist. Diese Ausführungsform benutzt jedoch Drehschwingungen. Der Oszillator 16 ist hier ein Faden, ein Stab oder ein Querstab, ge­ fertigt aus Metall. Der Querstab 16 ist in seinem Mittelabschnitt mit einem Vorsprung oder vorstehenden Teil 70 versehen. Der Vorsprung 70 besteht aus einer dünnen Platte, die auf einer Seite mit einer schwarzen Substanz bedeckt ist. Der Vorsprung 70 unterbricht den Lichtstrahl mehr oder weniger, wenn dieser sich von der ersten faseroptischen Übertragungsleitung 8 zur zweiten faseroptischen Übertragungsleitung 24 ausbreitet und der Querstab 16 um seine Längsachse schwingt. Beide Enden des Querstabes 16 sind,soweit als die Drehschwin­ gungen betroffen sind, fixiert. Ähnlich wie bei den Aus­ führungen zu Fig. 6 können die Drehschwingungen des Querstabes 16 durch Lichtimpulse 60 (Fig. 6) aufrecht­ erhalten werden, die durch die Eingangsleitung 8 über­ tragen und von dem Vorsprung 70 absorbiert werden. Zu diesem Zweck ist eine Seite des Vorsprungs 70 mit einem schwarzen Überzug versehen. Änderungen des phy­ sikalischen Parameters p erzeugen Spannungsänderungen des Schwingstabes 16, wodurch sich die Schwingungs­ frequenz f ändert.

In der Fig. 7 ist die Ruhe- oder Nullage des Quer­ stabes 16 dargestellt. Der Vorsprung 70 blockiert das Licht und verhindert, daß es zur Ausgangsleitung 24 sich ausbreitet. Wenn der Stab 16 um seine Längsachse in jeder Richtung um 90° verdreht wird, kann der Licht­ strahl aus der Eingangsleitung 8 sich zur Ausgangslei­ tung 24 ohne Behinderung ausbreiten. Die Messung der Frequenz f kann, wie oben angedeutet, ausgeführt werden.

In den Fig. 8 bis 10 ist ein Sensorsystem darge­ stellt, das eine elektronische Rückkopplungsschaltung aufweist. Durch diese Rückkopplungsschaltung können wiederholt ausgestrahlte und Energie transportierende Lichtimpulse so getaktet werden, daß sie in der rich­ tigen Phase zu den Schwingungen festgelegt sind, auch wenn die Frequenz der Sensoreinrichtung sich ändert. Dies hat zur Folge, daß die Schwingungen aufrechter­ halten werden.

Nach Fig. 8 weist ein spannungsgesteuerter Oszillator 80 einen Phasendetektor 82 und einen Impulsgenerator 84 auf. Der Phasendetektor 82 und der Impulsgenerator 84 sind Teile einer Schaltung zur Erzeugung einer starren oder festen Phase (phase locked loop). Dem Phasendetektor 82 werden die Ausgangssignale m des Lichtempfangselements 28 zugeführt. Der Phasendetektor 82 weist einen Impulsspitzendetektor und einen Null­ spannungsdetektor (beide nicht dargestellt) auf. Die Ausgabe des Phasendetektors 82 wird dem Eingang zur Frequenzsteuerung des Impulsgenerators 84 zugeführt. Dieser Impulsgenerator 84 erzeugt ein Ausgangssignal g zur Anregung des Lichtemitters 2. Die Frequenz des Ausgangssignals g wird in einer Frequenzmeßeinrichtung 30 gemessen. Das Ausgangssignal g wird auch dem Phasen­ detektor 82 zur Bestimmung der Phasenbeziehung der Impulse zugeführt.

In der Fig. 9 ist das Ausgangssignal g des Impuls­ generators 84 dargestellt. Dieses Ausgangssignal g hat eine entsprechende Amplitude des einzugebenden Lichts zur Folge. Das Signal g enthält einen gewissen Gleichspannungsgrundpegel g0, dem mehrere schmale Ausschlagsimpulse g1, g2, . . . g10 überlagert sind. Für die folgende Betrachtung ist angenommen, daß der Durchmesser des Fadens 16 etwas größer als der Fokus des Lichts in der Nullposition gemäß Fig. 8 ist.

Nach Fig. 10 wird das Ausgangs­ signal m des Lichtempfängers 28 aus mehreren Halbwellen gebildet, die durch kurze Pausen oder Lücken getrennt sind. Benachbarte Halbwellen repräsentieren eine Aus­ lenkung des Fadens 16 in Richtung der rechten Seite und dann zur linken Seite in Fig. 8. Immer wenn einer der ersten vier Ausschlagsimpulse g1-g4 stattfindet, wird die Trennlinie vollständig von dem Faden 16 be­ deckt und folglich ist das Ausgangssignal in des Licht­ empfängers 28 gleich null. Dies ist durch die kurzen Pausen zwischen den Halbwellen in Fig. 10 repräsentiert.

Es wird nun angenommen, daß, nachdem der Ausschlagim­ puls g4 ausgegeben worden ist, der Parameter p sich so geändert hat, daß der Faden 16 eine höhere Schwin­ gungsfrequenz angenommen hat. Deshalb ist die nächste Halbwelle in der Fig. 10 kürzer als die vorangegangenen Halbwellen und die Nullposition des Fadens 16 wird im Hinblick auf den nächsten Ausschlagsimpuls g5 um einen Zeitabstand d nach links verschoben. Mit anderen Worten, der nächste Ausschlagsimpuls g5 kommt in Bezug auf die Nullposition um die Zeitdifferenz d später. Beim Er­ scheinen des Ausschlagsimpulses g5 ist der Faden 16 nicht länger in der Nullposition und bewegt sich in Richtung des anderen Schwingungsendpunktes. Deshalb wird aufgrund des Ausschlagsimpulses g5 ein Lichtimpuls vom Empfangselement 28 empfangen, wie es in der Fig. 10 zu sehen ist. Die Zeitdifferenz d wird durch den Phasendetektor 82 gemessen und die Frequenz des Im­ pulsgenerators 84 wird durch das Ausgangssignal des Phasendetektors 82 entsprechend einjustiert. Deshalb erfolgt der nächste Ausschlagsimpuls g6 bei der näch­ sten Nullposition des Fadens 16, der jetzt mit einer höheren Oszillationsfrequenz schwingt. Da die nächsten drei Ausschlagsimpulse g6, g7, g8 auf die Nullpositionen abgestimmt sind, ist die Frequenz des Impulsgenerators 84 einjustiert. Der neue Wert kann durch die Frequenz­ meßeinrichtung 30 bestimmt werden.

Es sei weiter angenommen, daß nach dem Ausschlagsimpuls g8 der physikalische Parameter p sich wieder geändert hat. Zu diesem Zeitpunkt sei die Änderung so, daß die Schwingungsfrequenz kleiner geworden ist. Deshalb sind die folgenden Halbwellen in Fig. 10 länger geworden. Aus den Fig. 9 und 10 ist zu entnehmen, daß der nächste Ausschlagsimpuls g9 in Bezug auf die nächste. Nullposition des Fadens 16 zu früh kommt. Die Zeit­ differenz, die mit - d bezeichnet ist, wird durch den Phasendetektor 82 gemessen, und der Impulsgenerator 84 wird daraufhin korrigiert, soweit es seine Frequenz betrifft. Eine Folge davon ist, daß der nächste Aus­ schlagsimpuls g10 wieder bei der Nullposition des Fadens 16 erscheint. D.h., der Impulsgenerator 84 ist wieder auf die Oszillationsfrequenz des Fadens 16 abgestimmt. Der Wert der neuen Frequenz wird gemessen und von der Frequenzmeßeinrichtung 30 angezeigt.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 11 sendet eine Lichtquelle 2, vorzugsweise ein Laser, einen Licht­ strahl zum Ende einer faseroptischen Übertragungslei­ tung 8, über das er eingekoppelt wird. Ein Abzweigele­ ment 10, beispielsweise ein T-Koppler dividiert den Lichtstrahl in einen Meßstrahl 6 und einen Bezugs­ strahl 6r. Der Meßstrahl 6 durchstrahlt eine Sensor­ einrichtung 12, die einem zu messenden Parameter p ausgesetzt ist. Die Intensität des ausgegebenen Licht­ strahls wird durch einen Oszillator 16 entsprechend dem Parameter p moduliert. Der Bezugsstrahl 6r durch­ strahlt eine Bezugssensoreinrichtung 12r, deren Oszil­ lator 16r eine konstante Modulationsfrequenz aufweist. Deshalb wird die Intensität des ausgegebenen Licht­ strahls mit einer konstanten Frequenz periodisch geändert.

Beide ausgegebenen Lichtstrahlen werden auf faseropti­ schen Wegen 24 und 24r lichtempfindlichen Elementen 28 bzw. 28r zugeführt. Die elektrischen Ausgangssignale dieser Elemente 28 und 28r werden Frequenzdetektoren 30 bzw. 39r zur Bestimmung der Frequenzen f_m und f_r zugeführt. Die Ausgangssignale der Detektoren 30 und 30r werden einem Element zugeführt, das die Differenz zwi­ schen diesen Signalen bildet. Die Differenz ist eine Anzeige des Wertes des physikalischen Parameters p. Das dargestellte Sensorsystem liefert ein Frequenz­ normal für Vergleichszwecke.

In der Fig. 12 ist noch eine andere Sensoranordnung dargestellt. Der Lichtstrahl aus einer Lichtquelle 2 wird durch ein faseroptisches Kabel 8, eine Linse 120 und einen Strahlteiler 122 einer Kristallsensoreinrich­ tung 12 zugeführt. Die Kristallsensoreinrichtung 12 weist eine Kristallplatte 124 auf, die auf beiden Sei­ ten mit Elektroden bedeckt ist. Zur Lichtmodulation kann der piezoelektrische Effekt oder ein anderer Effekt benutzt werden. Lichtenergieimpulse auf der Eingangsseite können durch Wärmeumwandlung und folg­ lich durch Ausdehnung beim Auftreffen in der Sensor­ einrichtung Schwingungen auslösen. Die Kristallplatte 124 wird einem physikalischen Parameter p ausgesetzt, der beispielsweise die Temperatur sein kann. In dieser Ausführungsform wird an die Elektroden der Kristall­ platte eine Spannung U angelegt. Unter dem Einfluß der Spannung U führt die Kristallplatte 124 Vibrationen oder mechanische Schwingungen aus.

Auf manchen technischen Gebieten werden Quarzkristalle verwendet, die gewöhnlich weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen und atmosphärischen Einflüssen sind. Diese Quarzkristalle sind in erster Linie wichtig für Steuer- und Filterschaltungen, bei deren Anwendungen elektromagnetische Resonanzkomponenten hoher Leistung erforderlich sind, die eine hohe Frequenzkonstanz auf­ weisen. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch eine Kristallplatte 124 verwendet, deren mechanische Dimensionen oder Abmessungen mit der Umgebungstempera­ tur sich ändern. Folglich ändert sich die Resonanz­ frequenz der Kristallplatte 124 entsprechend der Temperatur.

In der Fig. 12 ist eine gekrümmte oder gewölbte Kri­ stallplatte 124 dargestellt, d. h. die Platte führt Biegeschwingungen aus. Anstelle einer Kristallplatte 124 könnte auch eine Platte verwendet werden, welche longitudinale Schwingungen ausführt. Entsprechend der Schwingungsfrequenz wird der auftreffende Lichtstrahl mehr oder weniger reflektiert. Er durchstrahlt den Strahlteiler 122 und kommt bei einem Fotodetektor 28 an, der zur Messung des modulierten Lichts vorge­ sehen ist. Das elektrische Ausgangssignal des Licht­ detektors 28 wird einem Filter 126 zugeführt, das zum Abschneiden aller Gleichstromkomponenten vorge­ sehen ist. Die Wechselstromkomponente des Ausgangs­ signals wird danach einer Frequenzmeßeinrichtung 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal a den zu messenden Parameter p anzeigt.

Der Fig. 13 ist zu entnehmen, daß die Kristallsensor­ einrichtung 12 mit der Spannung U aus einem Verstärker versorgt wird, der seinerseits von einer Hilfsenergie­ quelle 132 versorgt wird. Die Energiequelle 132 ist auf der Meßseite des Sensorsystems angeordnet. Sie kann aus einer Batterie oder aus einer Fotozelle be­ stehen, die von einer natürlichen Quelle (Sonne) oder durch eine künstliche Lichtquelle beleuchtet wird. Sie kann auch aus einer anderen Spannung und/oder Strom erzeugenden Vorrichtung bestehen, beispielsweise aus radioaktiver Quelle plus Elektrizitätswandler, einer thermischen Ionenvorrichtung oder einem Thermo­ paar. Thermische Energie kann aus der Umgebung des Sensors erhalten werden. Die erwähnte Energiequelle kann auch in Verbindung mit anderen Oszillatoren als die Kristallplatte 124 verwendet werden.

In der Fig. 14 ist eine faseroptische Sensoranordnung zur Messung eines physikalischen Parameters p dargestellt, in welcher die erforderliche elektrische Energie auf der Meßseite entlang ihrer faseroptischen Übertragungsleitung 8 übertragen wird. Auf der Seite der Lichtquelle 2 ist eine elektrische Quelle 140, bei­ spielsweise eine Batterie, vorgesehen, bei der ein Anschluß geerdet ist. Der andere Anschluß ist mit einem Leiter 142 verbunden, welcher von der Seite der Lichtausstrahlung zur Meßseite führt. Der Leiter 142 ist Teil der faseroptischen Übertragungsleitung 8. Insbesondere ist der Leiter 142 eine elektrische Leitung (Draht, Überzug), die an der faseroptischen Übertragungsleitung 8 angebracht oder mit ihr verbunden ist. Querschnitte durch Ausführungsformen der Leitung 8 sind in den Fig. 15 und 16 dargestellt. Auf der Meßseite ist der Leiter 142 mit dem den Oszillator oder Zeitgeber 56 enthaltenden Schwingungserreger 50 zu deren Erregung verbunden. Der Leiter 142 ist auch mit der Frequenzmeßeinrichtung 30 zu deren Erregung verbunden.

In den Fig. 15 und 16 sind Querschnitte durch zwei Ausführungsformen einer faseroptischen Übertragungs­ leitung 8 dargestellt, die wenigstens eine Versorgungs­ elektrode umfaßt.

In der Fig. 15 ist die zentrale Faser mit 150 be­ zeichnet und der umgebende Glasmantel mit 152. Das faseroptische Kabel 150, 152 ist wiederum von einem Kunststoffüberzug 154 umgeben. In den Kunststoffüber­ zug 154 sind zwei dünne metallische Leiter 156 und 158 eingebettet, die zur Erregung oder Versorgung elektrischer Komponenten auf der Meßseite der Sensor­ einrichtung dienen. Nach der Darstellung können diese Leiter 156, 158 längliche und gewölbte Metallplatten sein.

Bei der Übertragungsleitung 8 nach Fig. 16 ist eben­ falls ein Kunststoffüberzug 154 vorgesehen. Dieser Überzug 154 ist wiederum von einem metallischen Leiter 160 umgeben. Der Leiter 160 kann ein dünner Überzug sein. In den Kunststoff 154 ist eine Elektrode 162 eingebettet. Der Querschnitt der Elektrode 162 zeigt an, daß sie aus einem dünnen Draht bestehen kann.

Einige der in den vorstehenden Figuren dargestellten Sensoreinrichtungen verwenden einen Balgabschnitt 56 zur Messung der Temperatur des Druckes. Ein derartiger Balg kann durch andere Vorrichtungen ersetzt werden, deren Länge sich als Funktion der Temperatur ändert, beispielsweise durch Bimetalle, Positionssensoren, Beschleunigungssensoren oder auch jede andere geeignete Anordnung zur Messung der in Betracht kommenden Para­ meter.

Claims (14)

1. Sensoranordnung zur Messung eines physikalischen Parame­ ters (p) an einer von einer zweiten Stelle (bei 28) räumlich entfernten ersten Stelle (bei 16), bestehend aus:

• - einer Einrichtung (2) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (6),
• - einer an der ersten Stelle (bei 16) angeordneten, vom Lichtstrahl (6) getroffenen und eine durch den zu messen­ den physikalischen Parameter (p) bestimmte mechanische Os­ zillatorfrequenz aufweisende mechanische Oszillatorein­ richtung (12), welche die Amplitude des Lichtstrahls (6) entsprechend der Oszillatorfrequenz moduliert und
• - einem an der zweiten Stelle (bei 28) angeordneten Frequen­ zdetektor (30) zum Empfang des durch die mechanische Os­ zillatoreinrichtung (12) in der Amplitude modulierten Lichtstrahls (26) und Erzeugung eines entsprechend der mo­ dulierten Amplitude des Lichtstrahls (26) modulierten elektrischen Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet,
• - daß die mechanische Oszillatoreinrichtung (12) einen lang­ gestreckten, vom Lichtstrahl (6) getroffenen, an zumindest einem Ende befestigten und quer zu seiner Längsrichtung schwingfähigen stabförmigen Körper (16, 124) aufweist, dessen Oszillatorfrequenz eine Funktion des physikalischen Parameters (p) ist und dessen Schwingung die Amplitude des Lichtstrahls (6) moduliert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Oszillatoreinrichtung (12) ein Gehäuse (14) aufweist, daß ein befestigtes Ende des langgestreckten, stabförmigen Körpers (16) relativ zum Gehäuse (14) in Abhän­ gigkeit von dem physikalischen Parameter (p) in Längsrichtung des langgestreckten, stabförmigen Körpers (16; 124) bewegbar ist, und daß das andere Ende des Langgestreckten, stabförmi­ gen Körpers (16; 124) relativ zum Gehäuse (14) fest ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Ende des langgestreckten, stabförmigen Kör­ pers (16; 124) an einem Balg (46) befestigt ist, der sich in Abhängigkeit von einem den physikalischen Parameter (p) bil­ denden Druck im Inneren des Balges (46) ausdehnt oder zusam­ menzieht.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte, stabförmige Körper (16; 124) in Aus­ breitungsrichtung des auftreffenden Lichtstrahls (6) schwingt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte, stabförmige Körper (16; 124) einen quer zu seiner Längsrichtung vorstehenden und vom Lichtstrahl (6) getroffenen Vorsprung (70) aufweist, und daß der langge­ streckte, stabförmige Körper (16; 124) zusammen mit dem Vor­ sprung (70) Drehschwingungen um seine Längsachse ausführt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den langge­ streckten, stabförmigen Körper (16; 124) zu Schwingungen anregenden Schwingungserreger (50).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (50) aus der Einrichtung (2) zur Erzeugung des Lichtstrahls (6) besteht, die den Lichtstrahl (6) in Form von den langgestreckten, stabförmigen Körper (16; 124) aufgrund eines Moleküldrucks in Schwingung versetzenden Lichtimpulsen (60) erzeugt.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (50) eine elektromagnetische Einrichtung (54, 56) zur Erzeugung impulsförmiger, den lang­ gestreckten, stabförmigen Körper (16; 124) anziehender oder abstoßender elektromagnetischer Felder aufweist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte, stabförmige Körper (16) aus einem an seinen beiden Enden befestigten und zwischen den beiden Enden gespannten Faden besteht, dessen Spannung eine Funktion des physikalischen Parameters (p) ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte, stabförmige Körper (16) aus einer schwingenden Platte (124) besteht.

11. Anordnung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (50) einen phasenstabilisierten Generator zur Erzeugung von Auslenk- oder Erregerimpulsen aufweist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - eine erste faseroptische Übertragungsleitung (8) zur Übertragung des Lichtstrahls (6) von der Einrichtung (2) zur Erzeugung dieses Lichtstrahls (6) zum langgestreckten, stabförmigen Körper (16; 124) und
• - eine zweite faseroptische Übertragungsleitung (24) zur Übertragung des vom langgestreckten, stabförmigen Körper (16; 124) modulierten Lichtstrahls (26) vom langgestreck­ ten, stabförmigen Körper (16; 124) zum optischen Frequenz­ detektor (30).

13. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der faseroptischen Übertragungsleitungen (8, 24) mit einem Metallüberzug zum Leiten elektrischer Energie versehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der ersten und ein Ende der zweiten optischen Übertragungsleitung (8, 24) in der Nähe des langgestreckten, stabförmigen Körpers (16, 124) angeordnet ist, und daß diese Enden mit optischen Linsen versehen sind.