DE3229950A1

DE3229950A1 - Fibre-optic temperature sensor

Info

Publication number: DE3229950A1
Application number: DE19823229950
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof.Dr. Müller; Alfred Dr. Reule; Joachim Dipl.-Ing. 7080 Aalen Schröder
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Luxtron Corp
Priority date: 1982-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1984-02-16

Abstract

A fibre-optic sensor is specified which contains phototropic glass as the detector. The phototropic glass is periodically irradiated through the fibre and its transmittance is measured. The following can be used as a measure of the temperature: 1. the phase shift of the transmittance with respect to the irradiation , 2. the frequency at which the change in the transmittance is fed back in a resonant circuit to the irradiation, or 3. the reduction in the transmittance in pauses in irradiation.

Description

Faseroptischer TemperatursensorFiber optic temperature sensor

Faseroptischer Temperatursensor Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor bestehend aus einem Detektor, einer oder mehreren Fasern, einem lichtelektrischen Empfänger und einer elektronischen Auswerteeinrichtung.Fiber Optic Temperature Sensor The invention relates to a fiber optic temperature sensor Sensor consisting of a detector, one or more fibers, a photoelectric Receiver and an electronic evaluation device.

In vielen Bereichen der Technik und Medizin ist es wichtig, Temperaturen an einem Ort zu messen und die Meßwerte an einen anderen Ort zur Auswertung und/oder Steuerung zu übertragen. Dabei werden meist folgende Anforderungen gestellt: kurze Ansprechzeiten, kleine Abmessungen, chemische Resistenz und Störunempfindlichkeit. Für Temperaturmessungen sind z.B. Thermoelemente seit langer Zeit bekonnt; sie erfüllen die obigen Forderungen nicht in allen Fällen, da sie nur Meßsignale im mV-Bereich liefern und dadurch insbesondere bei längeren Leitungen störempfindlich sind.In many areas of technology and medicine it is important to measure temperatures to measure at one place and the measured values to another place for evaluation and / or Transfer control. The following requirements are usually made: short Response times, small dimensions, chemical resistance and immunity to interference. For temperature measurements, for example, thermocouples have been known for a long time; meet them the above requirements do not apply in all cases, since they only have measurement signals in the mV range and are therefore sensitive to interference, especially with longer lines.

Eine weitestgehend störunempfindliche Übertragungsmöglichkeit bieten optische Glasfasern; es gibt daher z.B. bereits Vorschläge für Temperatursensoren auf faseroptischer Basis. Bekannt sind faseroptische Sensoren, welche die Temperaturabhängigkeit der Fluareszenz-Abkiingzeit ausnutzen.Offer a transmission option that is largely insensitive to interference optical fiber; there are therefore already suggestions for temperature sensors, for example on a fiber optic basis. Fiber optic sensors are known, which measure the temperature dependency take advantage of the fluorescence cooling time.

In der US-PS 4 223 226 wird eine Anordnuny beschrieben, welche direkt die Fluoreszenz-Abklingzeit mißt. Dabei wird die Anregungsstrahlung in Form von Licht impulsen zugeführt und die Abnahme der Fluoreszenzstrchlung dadurch gemessen, daß das Signal, welches jeweils nach einer definierten Zeit nach Ende des Licht impulses der Anregungsstrahlung vorliegt, auf einen vorgegebenen Wert verstärkt wird und anschließend (bei konstanter Verstärkung) die Zeit bis zum Abfall auf einen weiteren vorgegebenen Wert gemessen wird.In U.S. Patent 4,223,226 there is described an arrangement which directly measures the fluorescence decay time. The excitation radiation is in the form of Light pulses are supplied and the decrease in fluorescence color is measured by that the signal, which in each case after a defined time after the end of the light pulse of the excitation radiation is present, amplified to a predetermined value and then (with constant gain) the time until it drops to one further specified value is measured.

In der GB-AS 2 064 107 wird eine Anordnung beschrieben, welche indirekt die Fluoreszenz-Abklingzeit mißt, indem die Phasenverschiebung zwischen einer periodischen Anregung und dem Fluoreszenzsignal durch einen Lockin-Verstärker gemessen wird.In GB-AS 2 064 107 an arrangement is described which indirectly The fluorescence decay time is measured by taking the phase shift between a periodic Excitation and the fluorescence signal is measured by a lock-in amplifier.

Beide Anordnungen haben Nachteile: Die direkte Messung der Abklingzeit wird in ihrer Genouigkeit durch das Rauschen stark beeinflußt. Eine Phasenmessung ist schwierig und aufwendig, wenn sie mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden soll. In beiden Fällen ist das Fluoreszenzsignal verhältnismäßig schwach, so daß der elektronische Aufwand für die Weiterverarbeitung verhältnismäßig groß ist. Außerdem sind geeignete fluoreszierende Substanzen schwer herzustellen und nicht handelsüblich.Both arrangements have disadvantages: The direct measurement of the decay time is strongly influenced in its genouigkeit by the noise. A phase measurement is difficult and expensive if it is to be carried out with high accuracy. In both cases the fluorescence signal is relatively weak, so that the electronic The effort for further processing is relatively large. Also are suitable fluorescent substances difficult to manufacture and not commercially available.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Temperatursensor anzugeben, dessen - durch die Faser übertragenes -Meßsignol einen verhältnismäßig geringen Aufwand für die Weiterverarbeitung erfordert.The invention is therefore based on the object of a fiber optic Specify temperature sensor whose - transmitted through the fiber -Measurement signal a requires relatively little effort for further processing.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Detektor aus einem phototropen Stoff ist und daß der Detektor über mindestens eine Faser mit einer Bestrahlungseinrichtung für den phototropen Stoff und mit einer Meßeinrichtung für die Änderung des Transmissionsgrades des phototropen Stoffes verbunden ist. Als phototroper Stoff wird vorzugsweise phototropes Glas verwendet.The object is achieved according to the invention in that the Detector is made of a photochromic substance and that the detector has at least one Fiber with an irradiation device for the photochromic substance and with a Measuring device for the change in the transmittance of the photochromic substance connected is. Phototropic glass is preferably used as the phototropic substance.

Bei einer vorteilhaftaen Ausführungsform ist die Bestrahlungseinrichtung für eine kurzwellige modulierte Bestrahlung des phototropen Stoffes ausgelegt. Die Meßeinrichtung ist für eine langweilige Gleichlichteinstrahlung ausgelegt, welche durch die Transmissionsänderung des phototropen Stoffes moduliert wird. Gemessen wird die Phasenverschiebung zwischen der modulierten Bestrahlung und modulierter Meßstrahlung.In an advantageous embodiment, the irradiation device is designed for a short-wave modulated irradiation of the photochromic substance. the Measuring device is designed for a boring constant light irradiation, which is modulated by the change in transmission of the photochromic substance. Measured the phase shift between the modulated irradiation and the modulated Measuring radiation.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Frequenz der Bestrahlungseinrichtung variabel und das durch den phototropen Stoff modulierte Meßsignal wird über ein Zeitglied auf die Bestrahlungseinrichtung rückyekoppelt. In diesem Fall ist die Frequenz der selbsterregten Schwingung ein Maß für die Temperatur.In another advantageous embodiment of the invention, the Frequency of the irradiation device is variable and this is due to the photochromic substance The modulated measurement signal is fed back to the irradiation device via a timing element. In this case, the frequency of the self-excited oscillation is a measure of the temperature.

In einer weiteren vorteilhoften Ausführungsform ist die Bestrshlungseinrichtung für eine impulsförmige Bestrahlung des phototropen Glases ausgelegt. Mit der Meßeinrichtung wird die zeitliche Änderung des Transmis- sionsgrades nach Beendigung der impulsförmigen Bestrahlung verfolgt. Es ist zweckmäßig, dabei die Zeitdifferenz zu messen, in welcher sich der Transmissionsgrad zwischen zwei vorgegebenen Werten ändert. Diese Zeitdifferenz ist ein Maß für die Temperatur.In a further advantageous embodiment, the irradiation device designed for a pulsed irradiation of the photochromic glass. With the measuring device the temporal change in the transmission sion level after termination followed by pulsed irradiation. It is useful to keep the time difference to measure in which the transmittance is between two specified values changes. This time difference is a measure of the temperature.

Die Werte des Transmissionsgrades, für welche die Zeitdifferenz gemessen wird können entweder fest vorgegeben oder abhängig von dem zu einem anderen Zeitpunkt gemessenen Transmissionsgrad gemacht werden. Besonders! vorteilhaft ist ein periodischer Betrieb, dessen Frequenz entweder fest vorgegeben oder abhängig davon ist, wann der größere der beiden fest vorgegebenen Werte erreicht wird. Es ist möglich - aber keineswegs notwenig - bei dieser Ausführungsform, für die Bestrahlung kurzwellige Strahlung und für die Messung longwellige Strahlung zu verwenden. Entscheidend ist nur, daß durch die Meßstrahiung der Tronsmissionsgrad nicht verändert wird. Das kann auch durch eine geringe Intensität der Weßstrahlung erreicht werden. Für die Bestrahlung wird in diesem Fall eine wesentlich größere Intensität mit gleicher Wellenlänge verwendet.The transmittance values for which the time difference was measured can either be fixed or depending on that at a different point in time measured transmittance. Particularly! a periodic one is advantageous Operation, the frequency of which is either fixed or depends on when the greater of the two fixed values is reached. It is possible - but by no means necessary - in this embodiment, short-wave radiation for the irradiation Radiation and to use long-wave radiation for the measurement. What matters is only that the measurement radiation does not change the degree of transmission. That can also be achieved with a low intensity of white radiation. For the Irradiation in this case becomes a much greater intensity with the same Wavelength used.

Die Zuleitung für die Bestrahlung und die Zu- und Rückleitung des Meßlichtes können über eine gemeinsame oder mehrere Fasern erfolgen, wobei im letzteren Fall für jeden der drei genannten Vorgänge gesonderte Fasern verwendet werden können aber nicht müssen.The supply line for the irradiation and the supply and return line of the Measuring light can take place via a common or several fibers, in the latter case Case, separate fibers can be used for each of the three processes mentioned but don't have to.

Vorteilhaft ist es, den Detektor aus einem kurzen Stück einer Faser mit phototropen Kern zu machen, das an das Ende der die Strahlung und das }tFeSlicht zuleitenden Faser bzw. Fasern stumpf angesetzt wird und das an der anderen Seite verspiegelt ist.It is advantageous to make the detector from a short piece of fiber with photochromic core to make that at the end of the radiation and the} tFeSlicht leading fiber or fibers is butt attached and that on the other side is mirrored.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der phototrope Kern mit einem Doopelmantel umgeben ist, dessen innerer Mantel eine höhere Brechzahl als der äußere Mantel und - wie bei Mänteln für Lichtleitfasern üblich -eine niedrigere Brechzahl als der phototrope Kern hat. Die Zuführung der Strahlung für die Bestrahlung des phototropen Kernes erfolgt in diesem Fall über den inneren Teil des Mantels, so daß eine bessere Bestrahlung der von der Eintrittsfläche entfernt liegenden Teile des phototropen Materials und damit ein besserer Wirkungsgrad erreicht wird. Bis zum Detektor kann die Zuführung über ein gesondertes Faserbündel erfolgen.It is particularly advantageous if the photochromic core with a Double jacket is surrounded, the inner jacket of which has a higher refractive index than the outer one Cladding and - as is usual with cladding for optical fibers - a lower refractive index than the photochromic core has. The supply of radiation for the irradiation of the In this case, the photochromic core takes place over the inner part of the cladding, so that better irradiation of the parts remote from the entrance surface of the photochromic material and thus a better efficiency is achieved. To The feed to the detector can take place via a separate fiber bundle.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn auch für die Zuführung der Strahlung und die Zu- und Rückführung des Meßlichtes eine Faser mit Doppelmantel verwendet wird, bei der für die kurzwellige Strahlung die Brechzahl des inneren Mantels größer als die des phototropen Kernes und die des äußeren Mantels ist und bei der für das langweilige Meßlicht die Brechzahl des inneren Mantels kleiner als die des phototropen Kernes ist. In diesem Fall wird die kurzwellige Strahlung dem Detektor über den inneren Mantel zugeführt und das langwellige Meßlicht über den Kern zu-und abgeführt. Dadurch wird trotz Verwendung von nur einer Faser eine Trennung zwischen Bestrahlungsstrahlung und Meßstrahlung und damit ein einfacher Aufbau für die übrigen optischen Komponenten der gesamten Meßeinrichtung erreicht.It is particularly advantageous, albeit for the supply of the Radiation and the supply and return of the measuring light a fiber with double cladding is used, in which for the short-wave radiation the refractive index of the inner Clad is larger than that of the photochromic core and that of the outer clad and in which for the boring measuring light the refractive index of the inner cladding is less than that of the photochromic nucleus. In this case, the short-wave radiation becomes the Detector fed through the inner jacket and the long-wave measuring light through the Core in and out. This creates a separation despite the use of only one fiber between irradiation radiation and measuring radiation and thus a simple structure for reached the other optical components of the entire measuring device.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaues des erfindungsgemäßen Temperatursensors; Fig. 2 eine Darstellung des Aufbaues ohne optische Teilungselemente; Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für den Detektor; Fig. 4 ein anderes Beispiel für den Detektor; Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für einen Detektor mit einem Stück Faser mit phototropem Kern; Fig. 6 einen Detektor mit einem Doppelmantel; Fig. 7 einen Detektor, bei dem auch die Verbindungsfaser einen Doppelmantel hat; Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verhaltens von phototropen Glas während und nach einer Bestrahlung; Fig. 9 ein Blockschaltbild für die Temperaturmessung aufgrund einer Phasenmessung; Fig. 10 ein Blockschaltbild für die Temperaturmessung aufgrund der Frequenzmessung an einem Schwingungskreis; Fig. 11 ein Blockschaltbild für die Temperaturmessung aufgrund einer Zeitmessung für eine bestimmte Änderung des Transmissionsgrades; Fig. 12 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verlaufes des Meßsignales während der Zeitmessung; Fig. 13 ein Blockschaltbild für die Temperaturmessung mit einem Differenz-Integrator und Fig. 14 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Differenz-Integrators.The invention is illustrated below with reference to FIGS Embodiments explained in more detail. They show: FIG. 1 an illustration of the basic structure of the temperature sensor according to the invention; Fig. 2 is an illustration the structure without optical dividing elements; Fig. 3 shows an embodiment for the detector; Fig. 4 shows another example of the detector; Fig. 5 shows an embodiment for a detector with a piece of fiber with a phototropic core; 6 shows a detector with a double jacket; 7 shows a detector in which the connecting fiber has a double jacket; 8 is a graph for explaining the behavior of photochromic glass during and after exposure; Fig. 9 a block diagram for the temperature measurement based on a phase measurement; Fig. 10 shows a block diagram for the temperature measurement based on the frequency measurement an oscillation circuit; 11 shows a block diagram for the temperature measurement based on a time measurement for a specific change in transmittance; Fig. 12 a graphic representation to explain the course of the measurement signal during the Timing; 13 shows a block diagram for the temperature measurement with a differential integrator and FIG. 14 is a diagram for explaining the operation of the difference integrator.

In Fig. 1 ist mit 11 ein Lichtleiter bezeichnet, der an seiner Spitze einen Detektor 12 hat, dessen wesentliches Element ein Stück phototrapes Glas ist und der in den Fig. 3 bis 6 ausführlich beschrieben ist. Auf den Eingang 11a des Lichtleiters 11 wird über die Linsen 14a und 14b und den Spiegel 15 der Brennfleck der Xenonlampe 13 abgebildet, deren Strahlung das phototrope Glas im Detektor 12 beeinflußt. Der Spiegel 15 hat -wenn für Bestrahlung und Messung mit verschiedenen Wellenlängen gearbeitet wird - vorteilhafterweise eine dichroitische Schicht, welche die Bestrahlungswelienlänge gut reflektiert und die Meßweilenlänge gut durchläßt. Auf den Eingang des Lichtleiters lia wird ferner über die Linse 14c und die Teilerplatte 17 der Leuchtfleck der LED 16 abgebildet, deren Strahlung zur Messung des Transmissionsyrades des phototropen Glases im Detektor 12 verwendet wird. Die vom Detektor 12 zurückkommende Meßstrahlung gelangt durch den Spiegel 15, die Teilerpiatte 17 und die Linse 14d auf die Pindiode 18. Letztere ist ebenso wie die LED 16 und die Xenonlampe 13 mit der Elektronikeinheit 19 verbunden, welche die Versorgungsspannungen für die LED 16 und die Xenonlampe 13 zur Verfügung stellt, die Verarbeitung des Signales der Pindiode 18 durchführt und das Ergebnis entweder anzeigt oder für eine Registrierung oder Steuerung ausgibt.In Fig. 1, 11 denotes a light guide, which is at its tip has a detector 12, the essential element of which is a piece of phototrapes glass and which is described in detail in FIGS. On the entrance 11a of the The light guide 11 becomes the focal point via the lenses 14a and 14b and the mirror 15 the xenon lamp 13, the radiation of which the photochromic glass in the detector 12 influenced. The mirror 15 has -if for irradiation and measurement with different Wavelengths is worked - advantageously a dichroic layer, which the radiation wavelength is well reflected and the measuring wavelength is well transmitted. The input of the light guide lia is also accessed via the lens 14c and the splitter plate 17 shows the light spot of the LED 16, the radiation of which is used to measure the transmission wheel of the photochromic glass in the detector 12 is used. The one coming back from the detector 12 Measurement radiation passes through the mirror 15, the splitter plate 17 and the lens 14d on the pin diode 18. The latter is just like the LED 16 and the xenon lamp 13 with the electronics unit 19 connected, which the supply voltages for the LED 16 and the xenon lamp 13 provides the processing of the signal of the Pin diode 18 performs and that Result either indicates or for issues a registration or control.

Wie bereits erwähnt, wird das phototrope Glas im Detektor 12 durch die Bestrahlung beeinflußt, d.h. sein Transmissionsgrad ändert sich während und nach der Bestrahlung. Es ist vorteilhaft, die Bestrahlung zu modulieren; das muß jedoch nicht der Fall sein. Bei den mit Fig. 11 und 13 beschriebenen Meß- und Auswerteverfahren ist auch nur eine Bestrahlung, bzw. ein Bestrohlungsimpuls möglich. Die Meßstrahlung, mit welcher die Änderung des Transmissionsgrades des phototropen Glases verfolgt wird, darf den Transmissionsgrad nicht beeinflussen. Das wird dadurch erreicht, daß die Meßstrahlung entweder eine längere Wellenlänge oder eine wesentlich geringere Intensität als die Bestrahiungsstrahiung hat. Auf die verschiedenen Auswerteverfahren wird bei den Erläuterungen zu den Figuren 9 bis 11 und 13 näher eingegangen.As already mentioned, the photochromic glass in the detector 12 is through influences the irradiation, i.e. its transmittance changes during and after irradiation. It is advantageous to modulate the exposure; that must however not be the case. In the measuring and evaluation methods described with FIGS. 11 and 13 only one irradiation or one irradiation pulse is also possible. The measuring radiation, with which the change in the transmittance of the photochromic glass is tracked must not affect the transmittance. This is achieved by that the measuring radiation either has a longer wavelength or a significantly shorter one Intensity than the radiation radiation. On the various evaluation methods is discussed in more detail in the explanations relating to FIGS. 9 to 11 and 13.

Anstelle der Xenonlampe 13, der LED 16 und der Pindiode 18 können selbstverständlich auch alle anderen in der Photometrie üblichen Lichtquellen und Empfänger verwendet werden.Instead of the xenon lamp 13, the LED 16 and the pin diode 18 can of course all other light sources commonly used in photometry and Receivers are used.

Fig. 2 zeigt eine einfachere Ausführung des optischen Aufbaues. Die LED 16 und die Pindiode 18 sind unmittelbar auf die Anfänge 11c und lid des verzweigten Lichtleiters 11' aufgesetzt. Auf diese Weise kann die Teilerplatte 17 und der Spiegel 15 eingesport werden; die Xenonlampe 13 wird nur über die Linsen 14 auf den Anfang lib des Lichtleiters abgebildet. Die drei Anfänge 1lb, 11c und 11d des Lichtleiters 11' werden funktionsmäßig entweder im Licht leiter vollständig zusammengefaßt oder es werden - für die in den Figuren 6 und 7 beschriebenen Detektoren - nur die zu den Anfängen llc und lid gehörenden Fasern für die Meßstrahlung funktionsmäßig zusammengefaßt und optisch getrennt von den Fasern für die Strahlung der Xenonlampe zum Detektor geführt.Fig. 2 shows a simpler embodiment of the optical structure. the LED 16 and pin diode 18 are immediately on the beginnings 11c and lid of the branched Light guide 11 'placed. In this way, the divider plate 17 and the mirror 15 are imported; the xenon lamp 13 is only about the lenses 14 at the beginning lib of the light guide shown. The three beginnings 1lb, 11c and 11d of the light guide 11 'are functionally either completely summarized or in the light guide it will - for the detectors described in Figures 6 and 7 - only the to Fibers belonging to the beginnings llc and lid are functionally combined for the measurement radiation and optically separated from the fibers for the radiation from the xenon lamp to the detector guided.

In Fig. 3 ist eine einfache Ausführung eines Detektors für Temperaturmessungen dargestellt. Der in den Fig. 1 und 2 mit 11 bzw. 11' bezeichnete Lichtleiter besteht aus einem Mantel 31 und einem Kern 32. Letzerer kann aus einer oder mehreren Licht fasern bestehen. Auf das senkrecht zur optischen Achse abgeschnittene Ende des Licht leiters ist über den Ab- standsring 34 die Linse 35 mit der konvexen, verspiegelten Oberfläche 36 aufgekittet. Die im Abstandsring 34 angeordnete Linse 33 ist so dimensioniert, daß ihr Brennpunkt auf der verspiegelten Oberfläche 36 liegt.In Fig. 3 is a simple embodiment of a detector for temperature measurements shown. The light guide designated by 11 and 11 'in FIGS. 1 and 2 consists from a cladding 31 and a core 32. The latter can consist of one or more lights fibers exist. On the end of the light cut perpendicular to the optical axis conductor is over the stand ring 34 the lens 35 with the convex, mirrored surface 36 cemented. The lens arranged in the spacer ring 34 33 is dimensioned so that its focal point on the mirrored surface 36 lies.

Der Krümmungsmittelpunkt der konvexen Oberfläche 36 liegt im Scheitel der Linse 33. Auf diese Weise wird jedes aus dem Kern 32 des Lichtleiters austretende Parullellichtbündel in sich selbst zurückgeworfen, d.h.The center of curvature of the convex surface 36 lies at the vertex the lens 33. In this way, each emerging from the core 32 of the light guide Parullell light beam reflected back into itself, i.e.

die gesamte aus dem Kern 32 austretende Strahlung wird wieder in ihn hinein reflektiert. Die Linse 33 oder die Linse 35 oder beide sind aus phototropem Glas. Dieses wird durch die Bestrahlung, z.B. mit der Xenonlampe aus Fig. 1 oder 2, gefärbt. Die Färbung, bzw. die mit ihr verbundene Änderung der Transmission wird mit einer Strahlung anderer Wellenlänge oder wesentlich geringerer Intensität, welche nach dem Durchgang durch das phototrope Glas 33 an der verspiegelten Oberfläche 36 reflektiert wird, gemessen.all radiation emerging from core 32 is returned to it reflected into it. The lens 33 or the lens 35 or both are made of phototropic Glass. This is caused by the irradiation, for example with the xenon lamp from Fig. 1 or 2, colored. The color or the associated change in transmission becomes with radiation of a different wavelength or significantly lower intensity, which after passing through the photochromic glass 33 on the mirrored surface 36 is reflected, measured.

Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 4. Hier ist die Linse 41, welche aus phototropen Glas besteht, direkt auf das Ende des Lichtleiters aufgekittet. Ihre auf der gegenüberliegenden Seite konvexe Oberfläche ist über den Abstandsring 42 mit dem Spiegel 43 verbunden. Experimentelle Untersuchungen ergaben, daß es günstig ist, dem Luftspalt in der optischen Achse ca. 1/10 des Wertes vom Radius der konvexen Linsenfläche zu geben.Another embodiment is shown in Fig. 4. Here is the lens 41, which consists of photochromic glass, cemented directly onto the end of the light guide. Your convex surface on the opposite side is above the spacer ring 42 connected to the mirror 43. Experimental research found it to be beneficial is, the air gap in the optical axis is about 1/10 of the value of the radius of the convex To give lens surface.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem als Detektor ein Lichtleiter verwendet wird, dessen Kern 51 aus phototropem Material besteht. Besonders günstig ist es, wenn die Außen- und Kerndurchmesser beider Lichtleiter gleich sind. Die stumpfen Trennflächen sind miteinander verkittet; der Detektor hat auf einer freien Seite die Spiegelschicht 53, welche die notwendige Reflexion der Meßstrahiung bewirkt.Fig. 5 shows another embodiment in which as a detector a light guide is used, the core 51 of which consists of phototropic material. It is particularly favorable if the outer and core diameters of both light guides are the same. The blunt parting surfaces are cemented together; the detector has the mirror layer 53 on a free side, which provides the necessary reflection the Meßstrahiung causes.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieses Detektors zeigt Fig. 6. Das Lichtleiterstück mit dem phototropen Kern 63 hat einen Doppelmantel, dessen innerer Teil 64 eine höhere Brechzahl als der äußere Mantel 65 und eine niedrigere Brechzahl als der phototrope Kern 63 haut. Die Bestrahlung des phototropen Kernes 63 erfolgt in diesem Fall über die Lichtfasern 61 und den inneren Teil 64 des Mantels. Dadurch wird eine bessere Bestrahlung der von der Eintrittsfläche entfernt liegenden Teile des phototropen Kernes 63 erreicht ind damit ein besserer Wirkungsgrad erzielt. Die Meßstrahlung wird dem Detektor durch eine gesonderte Faser bzw. ein gesondertes Faserbündel 62 zugeführt. An seinem freien Ende hat der phototrope Kern 63 wieder eine Spiegelschicht 66 zur Reflexion der Meßstrahlung.An advantageous further development of this detector is shown in FIG. 6. The light guide piece with the photochromic core 63 has a double cladding, the inner part 64 has a higher refractive index than the outer cladding 65 and a lower one Refractive index than the photochromic core 63 skin. The irradiation of the photochromic core 63 takes place in this case via the optical fibers 61 and the inner part 64 of the jacket. This results in better irradiation of the areas remote from the entry surface Parts of the phototropic core 63 thus achieves a better one Achieved efficiency. The measuring radiation is sent to the detector through a separate fiber or a separate fiber bundle 62 is supplied. At its free end has the photochromic Core 63 is again a mirror layer 66 for reflecting the measuring radiation.

Für den zuletzt beschriebenen Detektor eignet sich - ebenso für den in Fig. 7 noch zu beschreibenden - besonders gut der mit der Fig. 2 erläuterte Aufbau der gesamten Meßeinrichtung, weil mit diesem eine Trennung zwischen Her Strahlung für die Bestrahlung des phototropen Materials und der Strahlung für die Messung der Transmission des phototropen Materials bereits gegeben ist.The detector described last is suitable - also for the 7 to be described - particularly well the structure explained with FIG. 2 the entire measuring device, because with this a separation between Her radiation for the irradiation of the photochromic material and the radiation for the measurement the transmission of the photochromic material is already given.

Fig. 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform für die Zuführung der Bestrshlungsstrchluny und f;ir die Zu- und Rückführung der Meßstrahlung, indem für diese ebenfalls eine Lichtfaser mit Doppelmantel verwendet wird, wobei die Zuführung der Bestrahlungsstrahlung durch den inneren Teil 72 des Mantels erfolgt. Dieser hat für kurzwellige Bestrahlunqsstrcihlung eine größere Brechzahl als der äußere Teil 71 des Mantels und der Kern 73. Für das langweilige Meßlicht ist dagegen die Brechzahl des inneren Teiles 72 des Mantels kleiner als die des Kernes 73. Dadurch bleibt die einmal in den Kern 73 eingeleitete Meßstrahlung innerhalb des Kernes und damit getrennt von der Bestrahlungsstrahiung. Diese Ausführung eignet sich natürlich nur für den Fall, daß die Bestrahlung mit einer kürzeren Wellenlänge durchgeführt wird als die Messung. Sie bietet den Vorteil, daß trotz Verwendung von nur einer Faser ein einfacher Aufbau für die übrigen optischen Komponenten der gesamten Meßeinrichtung erreicht wird. Beispielsweise ist in diesem Fall ein Aufbau nach Fig. 2 möglich, wobei lediglich in bekannter Weise die Lichtleiteranfänge lid und Ilc mit dem Kern und der Lichtleiteranfang 11b mit dem inneren Teil des Doppelmanteis verbunden werden.Fig. 7 shows a particularly advantageous embodiment for the feed the irradiation rate and for the supply and return of the measuring radiation by an optical fiber with a double cladding is also used for this, the feed of the irradiation radiation takes place through the inner part 72 of the jacket. This has a higher refractive index for short-wave radiation than the outer one Part 71 of the jacket and the core 73. For the boring measuring light, on the other hand, is the The refractive index of the inner part 72 of the cladding is smaller than that of the core 73. As a result Once the measurement radiation has been introduced into the core 73, it remains within the core and thus separated from the radiation radiation. This execution is of course suitable only in the event that the irradiation is carried out with a shorter wavelength is called the measurement. It has the advantage that despite the use of only one Fiber a simple structure for the other optical components of the entire measuring device is achieved. For example, a structure according to Fig. 2 is possible in this case, only the light guide beginnings lid and Ilc with the core in a known manner and the beginning of the light guide 11b is connected to the inner part of the double cladding.

Zum besseren Verstöndris der in den Figuren 9 bis 11 und 13 dargestellten Blockschaltbilder für die Elektronik sowie der Auswerteverfahren ist in Fi'J. 8 das Verhalten von photatropen Glas bei Bestrahlung bei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 dargestellt, wobei T2 größer als T1 ist. Aufgetragen ist der Transmissionsgrad J'als Funktion der Zeit t, wobei bei t1 die Bestrahlung beginnt und bei t2 aufhört. Bei der hoheren Temperatur T2 ist der durch die Bestrahlung erreichte Transmissionsgrod höher und die Aufhellung nach Ende der Bestrahlung erfolgt schneller als bei der niedrigeren Temperatur T1 In Fig. 9 ist ein Blockscholtbild der in den Fig. 1 und 2 mit 19 bezeichneten Elektronikeinheit dargestellt, und zwar für den Fall der Phasenmessung für die Auswertung. Mit 91 ist die Gleichstromversorgung für die LED 16 bezeichnet, welche die Meßstrahlung in den Anfang 11d des Lichtleiters 11'einstrahlt. Die Stromversorgung 92 liefert für die Bestrahlungsquelle 13 einen Gleichstrom, der mit konstanter Frequenz und konstantem Modulationsgrad moduliert ist. Die von der Bestrahlungslampe 1 13 ausgehende Strahlung (die gegenüber der Speisung eine Phasenverschiebung haben kann) fällt sowohl auf den Anfang lib des Lichtleiters 11' als!.For better understanding of those shown in FIGS. 9 to 11 and 13 Block diagrams for the electronics and the evaluation process is in Fi'J. 8th the behavior of photatropic glass when irradiated at different temperatures T1 and T2 shown, where T2 is greater than T1. The degree of transmission is shown J'as a function of time t, irradiation begins at t1 and stops at t2. At the higher temperature T2 is that due to the irradiation The transmission level reached is higher and the brightening takes place after the end of the irradiation faster than the lower temperature T1. In Fig. 9 is a block diagram the electronic unit designated by 19 in FIGS. 1 and 2, namely in the case of phase measurement for the evaluation. At 91 is the DC power supply for the LED 16 denotes which the measuring radiation in the beginning 11d of the light guide 11 'irradiates. The power supply 92 supplies one for the irradiation source 13 Direct current that modulates with a constant frequency and constant degree of modulation is. The radiation emanating from the irradiation lamp 1 13 (which compared to the Supply may have a phase shift) falls on both the beginning lib des Light guide 11 'as !.

auch auf den Empfänger 93 Dessen Signal wird im Verstärker 94 verstärkt und vom Gleichlichtanteil befreit. Die zurückkehrende Meßstrahlung gelangt aus dem Lichtlichter 11'durch den Ausgang 11c auf den Empfänger 18, dessen Signal im Verstärker 95 verstcirkt und vom Gleichlichtanteil befreit wird. Die beiden Wechselspannungssignale der Verstärker 94 und 95 (welche die gleiche Frequenz haben) werden der Phasenmeßeinrichtung 96 zugeführt. Die dort in bekannter Weise ermittelte Phase wird in der Auswerteschaltung 97 in ein der Temperatur proportionales (analoges oder digitales) Signal umgewandelt, das z.B. von der Einrichtung 98 angezeigt wird.also to the receiver 93, whose signal is amplified in the amplifier 94 and freed from constant light. The returning measurement radiation comes from the Light lights 11 'through the output 11c onto the receiver 18, whose signal is in the amplifier 95 is reinforced and freed from the constant light component. The two AC voltage signals amplifiers 94 and 95 (which have the same frequency) become the phase measuring device 96 supplied. The phase determined there in a known manner is recorded in the evaluation circuit 97 converted into a signal proportional to the temperature (analog or digital), which is displayed by the device 98, for example.

Fig. 10 zeigt ein Blockscholtbild für die Ausführung, bei der die modulierte Meßstrahlung auf die Bestrablungseinrichtung rückgekoppelt wird.Fig. 10 shows a block diagram for the embodiment in which the modulated measuring radiation is fed back to the irrigation device.

Im Unterschied zu Fig. 9 wird das aus dem Verstärker 95 kommende Meßsig-l nal einer Zeitverzögerung 104 zugeführt und nach einem Amplitudenregler 102 auf den Steuereingang des Modulators 103 gegeben, der die Frequenz der Eestrchlungslompe 13 vorgibt. Durch diese Rückkopplung entstehen Schwingungen, deren Frequenz von der Aufhellgeschwindigkeit des phototropen Stoffes und damit von dessen Temperatur abhängt. Die im Hz-Bereich liegende Frequenz des Schwingkreises wird von dem Frequenzmesser 105 gemessen, in der Auswerteeinrichtung 106 in ein der Temperatur proportionales Signal umgewandelt und von der Anzeigevorrichtung 107 ausgegeben.In contrast to FIG. 9, the measuring signal coming from the amplifier 95 is nal to a time delay 104 and after an amplitude controller 102 on the control input of the modulator 103 is given, which the frequency of the Eestrchlungslompe 13 pretends. This feedback creates vibrations with a frequency of the lightening speed of the photochromic substance and thus its temperature depends. The frequency of the oscillating circuit, which is in the Hz range, is determined by the frequency meter 105 measured, in the evaluation device 106 in a proportional to the temperature Signal converted and output from the display device 107.

In dem Blockschaltbild der Fig. 11 ist die Auswertung mit Hilfe der zeitlichen Änderung des Transmissionsgrades nach Beendigung einer impulslörmigen Bestrahlung dargestellt. Im Unterschied zu den Fig. 9 und 10 wird hier die Bestrahlungsquelle 13 mit einem Blitzgeneretor 111 'betrieben. Die zurückkommende Meßstrahlung fällt wieder auf den Empfänger 18 und wird vom Verstärker 95 verstärkt. Kurz nach Ende eines Blitzes (solange, daß die Erholungszeiten des Empfängers 18 und des Verstärkers 95 abgelaufen sind) übernimmt auf ein Signal des Trigaergenerators 115 der Halteverstärker 112 das Meßsignal und speichert es. Aus diesem gespeicherten und einem weiteren, z.B. voreingestellten Wert wird in der Schwellwertschaltung 113 der Schwellwert gebildet, dessen Erreichung durch das Meßsignal vom Komparator 114 festgestellt wird. Der Komparator löst wieder den Trigger 115 und damit den nächsten Zyklus, beginnend mit einem Blitz der Lampe 13, aus. Die Zeit zwischen Meßwertübernahme in den Halteverstärker 112 und dem Erreichen des Schwellwertes (Signal vom Kompurator 114) wird vom Zeitzähler 116 gemessen, in der Auswerteschaltung 117 verarbeitet und von der Anzeige 107 ausgegeben.In the block diagram of FIG. 11, the evaluation with the aid of the temporal change in the degree of transmission after the termination of a pulsed Irradiation shown. In contrast to FIGS. 9 and 10, the irradiation source is here 13 operated with a flash generator 111 '. The returning measurement radiation falls back to the receiver 18 and is amplified by the amplifier 95. Shortly after the end of a lightning bolt (as long as the recovery times of the receiver 18 and the amplifier 95 have expired) takes over a signal from the Trigaer generator 115 of the hold amplifier 112 the measurement signal and stores it. From this saved and another, e.g., the preset value becomes the threshold value in the threshold value circuit 113 formed, the achievement of which is determined by the measurement signal from the comparator 114 will. The comparator releases the trigger 115 again and with it the next cycle, starting with a flash of the lamp 13, off. The time between acquisition of measured values into the hold amplifier 112 and when the threshold value is reached (signal from the comparator 114) is measured by the time counter 116 and processed in the evaluation circuit 117 and output from display 107.

Fig. 12 zeigt den Verlauf des Meßsignales I als Funktion der Zeit t.12 shows the course of the measurement signal I as a function of time t.

Durch geeignete Wahl des Bezugswertes 10 läßt sich erreichen, daß das Meßsignal in der Aufhellphase durch den Ausdruck - I = (I0 - I1)e-k(t-t1) in guter Näherung dargestellt werden kann.By a suitable choice of the reference value 10 it can be achieved that the measurement signal in the lightening phase by the expression - I = (I0 - I1) e-k (t-t1) in can be represented with a good approximation.

Dann gilt für die gemessene Zeitdifferenz 1 I0 - I 1 t2 - t1 = In k I0 - I2 d.h. die gemessene Zeitdifferenz ist unabhängig von I1 und damit von der Blitzenergie, wenn die Schwellwertscholtuny (Io-I1) / (Io-I2) kons-tant hält. Das ist durch einen einfachen Spannungsteiler zu erreichen.Then applies to the measured time difference 1 I0 - I 1 t2 - t1 = In k I0 - I2 i.e. the measured time difference is independent of I1 and therefore of the Flash energy if the threshold voltage (Io-I1) / (Io-I2) is constant. That can be achieved with a simple voltage divider.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der elektronischen Auswerteschaltung zeigt Fig. 13. Im Unterschied zu Fig. 11 löst hier kurze Zeit nach dem Ende eines Blitzes der Triggergenerator 115 den Beginn einer Integration im Integrator und Holteverstärker 131 aus (Fig. 14, senkrecht schraffierter Bereich). Sie dauert bi zum Zeitpunkt t2, wobei t2-t1 eine feste Zeitspanne ist. Von diesem Zeitpunkt ab wird die Diffe-i renz zwischen dem momentanen Meßsignal und dem gehaltenen Wert im Differenz-Integrator 132 integriert (waagerecht schraffierter Bereich in Fig.A particularly useful embodiment of the electronic evaluation circuit FIG. 13 shows. In contrast to FIG. 11, here a short time after the end of a The trigger generator 115 flashes the beginning of a Integration in Integrator and Holte amplifier 131 (FIG. 14, vertically hatched area). It lasts bi at time t2, where t2-t1 is a fixed period of time. Of this From the point in time, the difference between the instantaneous measurement signal and the one held Value integrated in the difference integrator 132 (horizontally hatched area in Fig.

14). Wenn das dort gebildete Integral einen vom gehaltenen Wert IH abhängigen, in der Schwellwertschaltung 113 gebildeten Wert erreicht (Zeitpunkt t3), löst der Komparator 114 den Trigger 115 zum Start eines neuen Zyklus aus. Dabei werden die beiden Integratoren gelöscht.14). If the integral formed there has a value IH dependent value formed in the threshold value circuit 113 is reached (point in time t3), the comparator 114 triggers the trigger 115 to start a new cycle. Included the two integrators are deleted.

Das im Integrator und Halteverstärker 131 in der Zeit t1 bis t2 gebildete Signal (senkrecht schraffierte Fläche in Fig. 14) entspricht dem Mittelwert in dieser Zeit; man erreicht auf diese Weise eine Verminderung des Rauscheinflusses. Die Integrationskonstante wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Ausgangsspannung etwa gleich dem Signalwert zum Zeitpunkt t2 ist und daß das im Differenzintegrator 132.gebildete Signal der waagerecht schraffierten Fläche entspricht. Auch durch die zweite Integration (waagerecht schraffierte Fläche) wird wieder der Einfluß des Rauschens vermindert.That formed in the integrator and hold amplifier 131 in the time t1 to t2 Signal (vertically hatched area in FIG. 14) corresponds to the mean value in this Time; a reduction in the influence of noise is achieved in this way. The constant of integration is expediently chosen so that the output voltage is approximately equal to the signal value at time t2 and that the signal formed in the difference integrator 132nd is the corresponds to the horizontally hatched area. Also through the second integration (horizontal hatched area) the influence of the noise is reduced again.

Der beschriebene Sensor ist auch zur Messung von Strahlung, insbesondere UV-Strahlung geeignet. Hierbei entfällt die huber die Faser zugeleitete Bestrahlungsstrahlung und der phototrope Stoff wird direkt der zu messenden Strahlung ausgesetzt. Als Detektor ist z.B. der in Fig. 3 dargestellte geeignet, wobei die Linse 35 aus phototropen Glas besteht und senkrecht zur optischen Achse bestrahlt wird. In diesem Fall wird unmitteilbar der Transmissionsgrad des phototropen Glases gemessen, er ist direkt ein Maß für die Strahlung. Es ist zweckmäßig, die Meßstrahlung zu modulieren, wenn sie durch von außen auf den Detektor follende Strahlung beeinflußt werden kann.The sensor described is also for measuring radiation, in particular Suitable for UV radiation. In this case, the irradiation radiation fed through the fiber is omitted and the photochromic substance is directly exposed to the radiation to be measured. as Detector is suitable, for example, as shown in Fig. 3, the lens 35 being made of photochromic Glass and is irradiated perpendicular to the optical axis. In this case it will The transmittance of the photochromic glass is not noticeable, it is direct a measure of the radiation. It is useful to modulate the measuring radiation when it can be influenced by radiation falling onto the detector from outside.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Patent claims: 1. Fiber optic temperature sensor, consisting of a detector, one or more fibers, a photoelectric receiver and an electronic evaluation device, characterized in that the detector is made of a phototropic substance and that the detector has at least one fiber with an irradiation device for the photochromic substance and with a measuring device for the change in the transmittance of the photochromic substance is connected.

2. Fiber optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that that the irradiation device for a short-wave modulated irradiation of the photochromic substance is designed that the measuring device for a long-wave constant light radiation is designed, which by the transmission changes of the photochromic substance is modulated, and that the measuring device for measuring the phase shift between modulated irradiation and modulated .leßstrahl is designed.

3. Fiber optic temperature sensor according to claim 1, characterized in that that the irradiation device for short-wave modulated irradiation is more variable Frequency for the photochromic substance is designed that the measuring device for a boring constant light radiation is designed, which by the transmission changes of the phototropic substance is modulated that the modulated by the measuring device Measurement signal in an oscillating circuit via a timing element to the irradiation device is fed back and that means for measuring the frequency in the measuring device of the oscillation circuit are provided.

4. aseroptical temperature sensor according to claim 1, characterized in that that the irradiation device for a pulsed irradiation of the photochromic Substance is designed and that the measuring device for measuring the temporal Change in the transmittance of the photochromic substance after termination of the pulse-shaped Irradiation is designed.

5. Fiber optic temperature sensor according to claim 4, characterized in that that the measuring device for a measurement of the time difference in which the transmittance changes between two specified values, is designed, and that the specified Values are either fixed immutable or dependent on one to another Time measured transmittance are.

6. Fiber optic temperature sensor still claim 4 or 5, characterized characterized in that irradiation device and measuring device for a periodic Operation are designed, the frequency of which is either fixed or dependent on measured transmittance is.

7. Fiber optic temperature sensor according to one of claims 4 to 6, characterized in that either short-wave radiation for irradiation and long-wave radiation is provided for the measurement or that for the measurement a significantly lower intensity than with irradiation with the same wavelength is provided.

8. Fiber optic temperature sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that for the supply of the radiation and the supply and return lines of the measuring light either a common or several fibers are provided.

9. Fiber optic temperature sensor according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the detector consists of a short piece of fiber with consists of a phototropic core, which leads to the end of the radiation and the measuring light The fiber or fibers are butted on and mirrored on the other side is.

10. Fiber-optic temperature sensor according to claim 9, characterized in that that the photochromic core is surrounded by a double jacket, its inner jacket a higher refractive index than the outer cladding and a lower refractive index than that has a photochromic core and that separate fibers are provided for supplying the radiation which are connected to the inner part of the jacket.

11. Fiber optic temperature sensor according to claim 9, characterized in that that the photochromic core is surrounded by a Doppelmontel, its inner jacket a higher refractive index than the outer cladding and a lower refractive index than that has photochromic core and that for the supply of radiation and the supply and return of the measuring light a fiber with double cladding is provided, in which for the short-wave Radiation the refractive index of the inner cladding is greater than that of the photochromic core and that of the outer cladding and that of the long-wave measuring light is the refractive index of the inner cladding is smaller than that of the photochromic core.