DE3325945A1

DE3325945A1 - Faseroptischer sensor und eine diesen enthaltende sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE3325945A1
Application number: DE19833325945
Authority: DE
Inventors: Richard Edward Epworth; Vincent Andrei Handerek
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: STC PLC
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1983-07-19
Publication date: 1984-02-09

Description

Faseroptischer Sensor und eine diesen
enthaltende Sensoreinrichtung Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor sowie eine Sensoreinrichtung, die diesen faseroptischen Sensor enthält. Unter einem -faseroptischen Sensor ist einer zu verstehen, bei dem eine optische Faser selbst als Sensor verwendet ist. Ein solcher Sensor ist bekannt aus "elektrisches Nachrichtenwesen", Band 57, Nr.: 2, 1982, S. 102-106. Diesem Sensor liegt das Prinzip zugrunde, daß die zu erfassende Einflußgröße, z. B. eine mechanische Belastung, eine Phasenänderung bewirkt, die mit dem Lichtdetektor der Sensoreinrichtung gemessen werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischen Sensor und eine entsprechende Sensoreinrichtung anzugeben, die auf einem anderen Prinzip beruht.
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 bzw. in den Patentansprüchen 3 und 19 angegeben gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig. la und Ib den Verlauf der Phasenkonstante mit der normierten Frequenz, Fig. 2 eine Veranschaulichung der Schwebungslänge bei der Kopplung zwischen zwei Moden, Fig. 3 das Prinzip einer Anordnung zur Erzeugung einer periodischen Verformung einer optischen Faser durch eine äußere Störung, Fig. 4a und 4b eine Seitenansicht und einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung, Figuren 5, 6 weitere Ausführungsbeispiele einer und 7 Sensoreinrichtung, Fig. 8 ein Faseraufbau, der bei den vorstehenden Sensoreinrichtungen verwendet werden kann, Fig. 9 den Verlauf der normierten Phasenkonstante verschiedener Moden abhängig von der optischen Frequenz bei einer spitz zulaufenden Faser, Fig. 10 einen als faseroptischer Sensor geeigneten koaxialen Faseraufbau, Fig. 11 das Brechungsindexprofil des Faseraufbaus nach Fig. 10, Fig. 12 die Feldverteilung bei dem Faseraufbau nach Fig. 10, Fig. 13 den Verlauf der Phasenkonstante abhängig von der optischen Frequenz für den Lichtwellenleiter mit dem inneren Kern und den Lichtwellenleiter mit dem äußeren Kern des Faseraufbaus nach Fig. 10 und Fig. 14 die Wellenlängenselektivität der Kopplung bei dem koaxialen Faseraufbau nach Fig. 10.
Bei einer optischen Multimode-Faser mit Stufenindexprofil unterscheiden sich die Phasenkonstanten der geführten Moden aufgrund der verschiedenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Transversalmoden (Modendispersion) oder der verschiedenen Polarisationen (Polarisationsdispersion). Fig. la zeigt, wie die normierten Phasenkonstanten (ß) des transversalen Grundmodus und des transversalen Modus erster Ordnung abhängig von der normierten Frequenz (V-Wert) verlaufen, und daß die Differenz der Phasenkonstanten (aus) sich mit der Frequenz ändert. Fig. 1b zeigt, daß bei einer doppelbrechenden Faser der Grundmodus in zwei orthogonal polarisierte Moden aufgespalten wird, deren Differenz der Phasenkonstanten (haß) ebenfalls sich mit der optischen Frequenz ändert.
In einer optischen Faser, auch Lichtwellenleiter genannt, mit gut kontrollierter Geometrie gibt es sehr wenig Kopplung zwischen zwei in der Faser geführten Moden, es sei denn daß die Differenz Aß zwischen ihren Phasenkonstanten sehr klein ist. Wenn jedoch ein Faserabschnitt 1 (Fig. 2) der Zwei-Moden mit den Phasenkonstanten 51 und ß2 führt, physikalisch entlang seiner Länge verformt wird, so daß er Wellen bildet mit einer Periode in Längsrichtung, die der Schwebungslänge zwischen den beiden Moden angepaßt ist, so findet eine deutlich feststellbare Modenkopplung statt. Die periodische Verformung kann durch Wirkung einer äußeren Störung verursacht werden, die durch Pfeile P (Fig. 3) angedeutet ist. Die äußere Störung ist beispielsweise ein Druck oder eine Vibration, welche die Faser 1 gegen eine Unterlage 2 preßt, die geeignet ist, die Wellenbildung der Faser zu bewirken. Somit läßt sich eine die Modenkopplung in dem Faserabschnitt bestimmende Einflußsgröße, beispielsweise der Druck oder eine Vibration erfassen. Die Schwebungslänge ist die Länge der Faser, über die sich zwei Dioden um eine Wellenlänge relativ zueinander verschieben. Sie ist umgekehrt proportional zu AS.
Die Schwebungslänge zwischen Moden ändert sich mit der optischen Frequenz, so daß eine Modenkopplung nur bei derjenigen optischen Frequenz auftritt, bei der die Schwebungslänge und die Periode der wellenformigen Faserverformungen einander angepaßt sind. Bei anderen Frequenzen gibt es keine Kopplung. Die Frequenzselektivität kann maximal gemacht werden, wenn man die Gesamtlänge des periodisch verformten Faserabschnitts, jedoch nicht die Periode vergrößert und die Amplitude der periodischen Verformungen minimal macht.
Ein Sensor zum Erfassen von Druckschwankungen oder einer Vibration kann somit aus einem Faserabschnitt 1 einer Länge einer optischen Faser bestehen, der auf eine Unterlage 2 mit periodischer Wellenform gelegt ist, so daß, wenn der Faserabschnitt 1 und die Unterlage beispielsweise in einer Flüssigkeit angeordnet sind, Druckschwankungen in der Flüssigkeit entsprechende Schwankungen der Verformung des Faserabschnitts 1 bezogen auf die Unterlage und damit entsprechende Schwankungen der Kopplung zwischen den in der Faser geführten Moden verursachen.
Die speziell zu verwendende optische Frequenz hängt von der Periode der Wellenform der Unterlage ab. Die Stärke der Kopplung zwischen den Moden bei der speziellen optischen Frequenz ist somit ein Maß für die Größe der Störung, d. h. für die zu erfassende Einflußgröße. Die Stärke der Kopplung wird mittels eines modenselektiven Filters und Detektors am ausgangsseitigen Ende der Faser gemessen. Diese Meßanordnung kann direkt auf den Druck oder eine andere Einflußgröße, falls gewünscht, geeicht werden.
Fig. 3 zeigt nur die prinzipielle Anordnung einer gewellten Unterlage, auf der die optische Faser in ihrem als Sensorelement vorgesehenen Faserabschnitt aufliegt.
Vorzugsweise wird der Faserabschnitt 1, wie mit 3 angedeutet, durch eine Abdeckung oder Schutzschicht 3 vor einem direkten Kontakt mit dem die Störung vermittelnden Medium geschützt.
Anhand der Figuren 4, 5, 6 und 7 werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele einer solchen gewellten Unterlage beschrieben. In den Figuren 4a und 4b ist ein Teil einer Sensoreinrichtung gezeigt,der aus einem Faserabschnitt 4 besteht, der auf der Oberfläche eines zylindrischen Unterlagekörpers 5 in Längsrichtung aufliegt, wobei der Durchmesser des zylindrischen Unterlagekörpers 5 einen periodischen Verlauf in Längsrichtung hat. Eine zylindrische Hülse 6 (nicht gezeigt in Fig. 4a) aus einem elastischen Material, beispielsweise Polypropylen oder Silikonkautschuk, dient dazu, die Faser festzuhalten und zu schützen. Eine Anderung des auf die Hülse 6 wirkenden Druckes ändert somit die Stärke der Kopplung zwischen den im Faserabschnitt geführten Moden. Diese Konfiguration kann auch umgekehrt werden, insofern als die Hülse aus einem härteren Material beschaffen und mit der gewellten Oberfläche versehen sein kann und die Unterlage aus einem nachgiebigen Material beschaffensein kann, derart, daß die Konfiguration auf einen auf die Hülse wirkenden Druck anspricht und der Faserabschnitt durch die Hülse verformt wird. Weiterhin erscheinen auch Anordnungen, bei denen sowohl die Hülse als auch die Unterlage gewellt sind, geeignet. Die in Fig. 4 gezeigten periodischen Durchmesserschwankungen können entweder durch eine geeignete maschinelle Bearbeitung eines Grundkörpers erreicht werden oder alternativ dazu durch schraubenförmiges Bewickeln eines zylindrischen Grundkörpers 8 (Fig. 5) mit einem geeignet bemessenen längsgestreckten Element,beispielsweise einem Draht 7 mit kreisförmigem Querschnitt. Der Faserabschnitt 9 wird darauf über die Windungen des Drahtes 7 in Längsrichtung des Grundkörpers 8 gelegt und kann dort durch eine flexible Hülse (nicht gezeigt) festgehalten werden.
Der Grundkörper 8 kann ein Nylonformkörper sein, und der Draht 7 kann ein Stahldraht sein. Statt periodische Durchmesserschwankungen eines Grundkörpers und eine längsgestreckte Faser, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt,anzuwenden, kann auch eine Faser 13,wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, schraubenförmig auf eine geeignete geformte Unterlage aufgelegt werden. In diesem Fall kann eine externe Hülse nicht gezeigt) angewendet werden oder auch entfallen. In Fig 6 ist als Unterlage ein Grundkörper 10 mit in Längsrichtung verlaufenden Rillen wie bei einer mit Längsnuten versehenen Welle vorgesehen. In Fig. 7 ist ein zylindrischer Grundkörper 11 mit einer verseilten Schicht 12 aus Drähten oder anderen geeignet bemessenen länglichen Teilen versehen. Wie im Zusammenhang mit Fig. 4 erwähnt, können diese Strukturen, wenn eine Hülse verwendet ist, ebenfalls umgekehrt werden. Die periodische Struktur kann also auch auf der Innenseite einer Hülse vorhanden sein, zwischen der und einer nachgiebigen Unterlage sich die Faser befindet.
Zwar sind bisher nur einzelne faseroptische Sensoren beschrieben worden, jedoch bedeutet die Frequenzabhängigkeit der im Sensor ausgenutzten Modenkopplung, daß unter Verwendung der gleichen Grundtechnik leicht ein faseroptischer Sensor mit mehreren entlang einer Linie verteilt ten Sensorelementen konstruiert werden kann. Bei einem solchen faseroptischen Sensor sind eine Vielzahl von Sensorelementen entlang einer Linie verteilt und mit einer geeigneten Einrichtung zum Anzeigen der durch die einzelnen Sensorelemente erfaßten Parameter verbunden. Im Falle eines bekannten akustischen Sensors mit verteilten Sensorelementen ist entlang einer Linie eine Anzahl von Mikro- fonen verteilt und elektrisch mit einer Empfangseinrichtung verbunden, so daß er ein Durchschnittssignal aus den von den Mikrofonen empfangenen Signalen abgibt.
Ein solcher Sensor mit verteilten Sensorelementen kann auch aus den oben beschriebenen die Modenkopplung verwendenden faseroptischen Sensorelementen aufgebaut sein. Eine Ausführungsform eines faseroptischen Sensors mit verteilten Sensorelementen besteht aus einer Länge einer optischen Faser, die lokalisierte in Intervallen aufeinanderfolgende Sensorbereiche aufweist, die alle durch eine der oben beschriebenen Sensorkonfigurationen gebildet sind. Beispielsweise befinden sich mehrere Faserabschnitte, die entlang der Länge der optischen Faser in diskreten Intervallen aufeinanderfolgen, zwischen jeweils einer Unterlage und einer Abdeckung (Hülse). Diese Unterlage und Abdeckung wirken an dem betreffenden Faserabschnitt derart zusammen, daß sie diesen in Abhängigkeit von der dort wirksamen externen Störung, beispielsweise dem Flüssigkeitsdruck einer Flüssigkeit, in der sich der Sensor befindet, verformen. Somit bildet die optische Faser sowohl die Sensorelemente als auch die Mittel zur Verbindung der Sensorelemente. Ein faseroptischer Sensor mit verteilten Sensorelementen in Form von lokalisierten Sensorbereichen kann alternativ dadurch konstruiert werden, daß man den Durchmesser des Faserkerns 14 (Fig. 8) in Intervallen aufweitet und verengt, so daß die Sensorbereiche, zum Beispiel 15, in der Lage sind, zwei Moden zu führen, wogegen die dazwischenliegenden Bereiche 16 der Faser Monomode Bereiche sind, die nur zu übertragungszwecken verwendet werden. Die Sensorbereiche 15 sind mit einer zugehörigen Anordnung von Unterlage und Hülse, wie oben beschrieben, versehen, damit sie in Abhängigkeit von der zu erfassenden äußeren Störung verformt werden. In einer Monomodefaser mit zwei Polarisationen können die Sensorbereiche aus Bereichen mit relativ hoher Doppelbrechung einer Faser bestehen, die ansonsten eine relativ niedrige Doppelbrechung aufweist.
Die bisher beschriebenen faseroptischen Sensoren mit verteilten Sensorelementen arbeiten mit einer einzigen optischen Frequenz und liefern somit nur ein durchschnittliches Signal wie im Falle des erwähnten bekannten akutischen Sensors mit verteilten Sensorelementen. Die Frequenzabhängigkeit der Modenkopplung kann jedoch vorteilhaft dazu verwendet werden, um zwischen unterschiedlichen Sensorbereichen zu unterscheiden. Grundsätzlich ist jeder Sensorbereich eines faseroptischen Sensors mit verteilten Sensorelementen so ausgelegt, daß die Modenkopplung nur bei einer speziellen Frequenz stattfinden kann, die sich von derjenigen von anderen Sensorbereichen unterscheidet. Deshalb können unterschiedliche Positionen entlang der Länge des faseroptischen Sensors aufgelöst werden, wenn man einfach unterschiedliche optische Frequenzen verwendet.
Eine solche örtliche Auflösung kann man erreichen, wenn man eine Faser mit gleichmäßigen Eigenschaften entlang ihrer Länge, beispielsweise einem konstanten Durchmesser, Elliptizität usw., und an den als Sensorbereichen vorgesehenen Faserabschnitten solche Unterlage-Hülse-Anordnungen verwendet, die unterschiedliche Perioden ihrer Welligkeit aufweisen und somit unterschiedliche Schwebungslängen und entsprechend unterschiedliche Frequenzen für eine Modenkopplung erfordern. Statt dessen kann die örtliche Auflösung auch dadurch erreicht werden, daß man eine sämtlichen Sensorelementen gemeinsame einzige Welligkeitsperiode anwendet, jedoch die Schwebungslänge der Faser entlang ihrer Länge verändert, so daß verschiedene Sensorbereiche verschiedene Schwebungslängen haben. Dies kann man durch eine Faser erreichen, deren Durchmesser, Brechungsindexprofil Elliptizität oder Spannungsdoppelbrechung einen vorgegebenen Verlauf entlang der Faserlänge haben, entweder kontinuierlich oder in Intervallen.
Fig. 9 zeigt, wie die normierte Phasenkonstante des Grundmodus und die des Modus erster Ordnung sich abhängig von der optischen Kreisfrequenz w an zwei verschiedenen Bereichen I und II einer spitz zulaufenden Faser 17, an denen die Welligkeitsperiode die gleiche ist, ändert.
Dadurch ist das möglich, die zwei Bereiche durch Verwendung von unterschiedlichen optischen Kreisfrequenzen U 1 und 2 2 aufzulösen.
Unter Verwendung einer oder beider der oben beschriebenen Moglichkeiten zur örtlichen Auflösung, kann ein faseroptischer Sensor oder ein faseroptisches Sensorkabel mit verteilten Sensorelementen hergestellt werden, bei dem ein spezifischer Bereich der Faser- oder Kabellänge durch Messung der Kopplung bei einer spezifischen optischen Frequenz aufgelöst werden kann. Die Verwendung einer breitbandigen Laser- Lichtwelle und eines frequenzdispersiven Elements beispielsweise eines Gitters oder Prismas, zusammen mit einer linearen Anordnung von Fotodetektoren ermöglicht es, eine große Anzahl von unabhängigen Sensor- bereichen eines Sensorkabels gleichzeitig abzufragen und auszuwerten. Zum Unterscheiden der aus den spezifischen Sensorbereichen stammenden Signale können auch faseroptische Wellenlängenmultiplex-Bauteile verwendet werden.
Da die Sensorelemente des faseroptischen Sensors wirklich räumlich verteilt sind, kann ihre lineare Anordnung an einer entfernten Stelle ebenfalls räumlich dargestellt werden; d. h., daß die Sensorelemente in der Lage sind, die Phase des abgefragten Signals festzustellen, das Sensorsignal so zu verarbeiten, wie es von der Technik der phasengesteuerten Antennen her, bekannt ist, wobei es unerheblich ist, ob der Phasenunterschied echt ist oder simuliert wird. Um schwenkbare Keulen einer vergrößerten Empfindlichkeit, einen sogenannten "Strahiformungs"-Sensor, zu bilden kann eine Technik eingesetzt werden, die der auf dem Radargebiet und dem Gebiet der Funkverbindungen gebräuchlichen Technik entspricht. Wenn ein solcher Sensor in einem Medium wie Wasser verwendet wird, sollte alles möglich sein, was von der Strahlsteuerungstechnik her bekannt ist.
Obwohl die Erfindung bezüglich der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele im Hinblick auf die Erfassung von Druckschwankungen oder Vibrationen erläutert worden ist, ist sie auf die Erfassung von jeglichen Störungseffekten oder Einflußgrößen anwendbar, die eine geringe physikalische Verschiebung der als Sensor verwendeten Faser und/oder deren verformenden Unterlage oder Auflage hervorruft. Beispielsweise könnte ein Umformer, der eine Temperaturänderung in eine änderung der Wärmeausdehnung umformt, zur Erfassung der Temperatur verwendet werden, oder es könnte eine magnetostriktive Hülse zur Erfassung von magnetischen Feldern verwendet werden. Die bisher beschriebenen Aus- führungsbeispiele des faseroptischen Sensors und der dazugehörigen Sensoreinrichtung erlauben es, daß als optische Faser eine normale Multimodefaser mit Stufenindexprofil verwendet ist, oder in manchen Ausführungsbeispielen eine Monomodefaser. Um eine Modenkopplung zu bewirken und damit eine Störung durch eine Einflußgröße zu erfassen, ist eine mechanische Verformung der Faser durch Wirkung dieser Einflußgröße erforderlich.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung erfassen die Einflußgrößen auf eine optische Faser ebenfalls dadurch, daß diese Einflußgrößen die Modenkopplung ändern, jedoch werden statt Fasern mit Stufenindexprofil, bei denen die Moden in einem einzigen Wellenleiter geführt werden, bei den nachfolgenden Beispielen getrennte Wellenleiter für die Moden verwendet, die eng beieinander liegen. Eine solche Anordnung läßt sich erreichen, wenn man zwei Lichtwellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt Seite an Seite anordnet. Statt dessen kann man auch, wie in Fig. 10 gezeigt,eine koaxiale Wellenleiterstruktur anwenden. Diese besteht aus einem inneren Kern 1 mit kreisförmigem Querschnitt und einem diesen umgebenden äußeren Kern 3 mit kreisringförmigem Querschnitt, einer Zwischenschicht 2, die durch den Mantel des inneren Kerns 1 gebildet ist, und aus einer äußeren Mantelschicht 4, welche den äußeren Kern 3 umgibt. Das Brechungsindexprofil der koaxialen Lichtwellenleiterstruktur ist in Fig. 1 gezeigt. Der innere Kern 1 und der äußere Kern 3 bildet jeweils den Kern eines separaten Wellenleiters, wobei jeder Wellenleiter im Grundmodus betrieben wird. Aufgrund der Geometrie dieses Faseraufbaus überlappen sich die Feldverteilungen der Moden dieser separaten Lichtwellenleiter stark, wie in Fig. 3 durch die Schraffur angedeutet. Eine Kopplung zwischen den Moden wird erzielt, wenn ihre Felder überlappen und ihre Phasenkonstanten (61 und ß2) gleich sind. Die letztere Bedingung ist als Phasenanpassung bekannt. Im Gegensatz zu einer idealen optischen Faser mit Stufenindexprofil mit nur einem einzigen wellenleitenden Bereich sind die Moden dieses koaxialen Faseraufbaus nicht orthogonal, d. h. sie sind nicht von sich aus ungekoppelt.
Unter den Bedingungen der Phasenanpassung wird daher schnell Lichtleistung zwischen den wellenleitenden Bereichen des koaxialen Faseraufbaus übertragen.
Fig.13 zeigt, wie die normierte Phasenkonstante des Grundmodus des Lichtwellenleiters mit dem inneren Kern und des Lichtwellenleiters mit dem äußeren Kern sich mit der optischen Frequenz ändert. Wie man sieht, ändert sich die Differenz der Phasenkonstanten (AR) mit der optischen Kreisfrequenz w und hat den Wert Null bei einer einzigen Frequenz uM. MIn der Nähe dieser Frequenz sind die Moden phasenangepaßt, und zwischen den beiden Lichtwellenleitern kann einer schneller Lichtleistungsübergang stattfinden.
Bei einem vorgegebenen Aufbau findet ein nennenswerter Lichtleistungsübergang nur über eine sehr enge optische Bandbreite statt, deren Ausmaß durch eine geeignete Ausführung bestimmt werden kann. Fig. 5 zeigt den Verlauf der normierten gekoppelten Lichtleistung abhängig von der Wellenlänge.
Ein solcher koaxialer Faseraufbau kann als faseroptischer Sensor verwendet werden, wenn die zu erfassende Einflußgröße oder Parameter in der Lage ist, den Aufbau irgendwie derart zu stören, daß die Verteilung der zwischen dem inneren und dem äußeren Lichtwellenleiter gekoppelten Lichtleistung geändert wird. Den Grundaufbau eines Sensors kann man herstellen, wenn man dafür sorgt, daß eine Länge einer Faser mit dem koaxialen Faseraufbau nach Fig. 1 einen Abschnitt (Sensorelement) hat, bei dem das Material des äußeren Mantels 4 sich deutlich mit einem zu erfassenden Parameter, beispielsweise Druck, Magnetfeld oder Temperatur ändert. Ein faseroptischer Sensor mit verteilten Sensorelementen kann hergestellt werden, wenn man dafür sorgt, daß eine Länge einer Faser mit dem koaxialen Faseraufbau nach Fig. 10 eine Anzahl von auseinanderliegenden Abschnitten hat, in denen sich der Brechungsindex des Materials des äußeren Mantels deutlich beispielsweise mit dem Druck ändert. Die Länge dieser Abschnitte ist so, daß jeweils eine phasenangepaßte Wechselwirkung zwischen dem inneren und dem äußeren Lichtwellenleiter besteht. Das heißt, bei Fehlen einer äußeren Störung würde eine Lichtleistung, die in den inneren Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, an diesen Abschnitten vollständig in den äußeren Lichtwellenleiter übertragen werden, wogegen beim Vorhandensein einer Störung, die den Brechungsindex der äußeren Mantelschicht 4 ändert, die Lichtleistung nicht vollständig ubertragen werden wurde. Die Verteilung der zwischen dem inneren Lichtwellenleiter und dem äußeren Lichtwellenleiter übergekoppelten Lichtleistung wird somit durch Änderungen der zu erfassenden Einflußgrößen geändert.
Nun geschieht die Phasenanpassung in einem sehr engen optischen Frequenzband, so daß die Modenkopplung frequenzabhängig ist. Infolgedessen können die verschiedenen Sensorabschnitte oder Sensorelemente, die sich entlang der Länge der optischen Faser befinden, aufgelöst werden, dadurch, daß verschiedene optische Frequenzen die Modenkopplung bei verschiedenen Sensorabschnitten oder Sensorelementen erzeugen. Dies kann man erreichen, wenn man einen Parameter des koaxialen Faseraufbaus bei den unterschiedlichen Sensorabschnitten oder Sensorelementen verschieden macht, beispielsweise den Brechungsindex der außeren Mantelschicht oder die Dicke des äußeren Kerns, um damit die Frequenz, bei der die Modenkopplung auftritt, entsprechend zu ändern. Eine Minderung der Frequenz, bei der die Phasenanpassung erfüllt ist, mit der Länge kann man auch dadurch erhalten, daß man einen Parameter der Lichtweilenleiterstruktur kontinuierlich entlang der Länge langsam ändert.
Die Verteilung der gekoppelten Lichtleistung kann auf verschiedene Arten gemessen werden,und zur örtlichen Sensorauflösung entlang der Länge der Faser kann entweder eine breitbandige Lichtquelle oder eine Lichtquelle mit veränderbarer Wellenlänge verwendet werden, die an den inneren Lichtwellenleiter oder an den äußeren Lichtwellenleiter angekoppelt ist. Wenn zum Beispiel die Lichtleistung in den inneren Lichtwellenleiter eingekoppelt wird und der äußere Lichtwellenleiter eine starke Dämpfung aufweist,so wird eine auf einen solchen faseroptischen Sensor mit verteilten Sensorelementen wirkende Störung eine Modulation des nach einer Länge einer phasenangepassten Wechselwirkung im inneren Lichtwellenleiter verbleibenden Lichts zur Folge haben. Eine Spektralanalyse des aus der Faser austretenden Lichts kann dann dazu verwendet werden, die Amplitude der verschiedenen Frequenzkomponenten fest- zustellen und die verschiedenen Sensorelemente räumlich aufzulösen. Wenn statt dessen der innere Lichtwellenleiter und der äußere Lichtwellenleiter beide mit einer geringen Dämpfung versehen sind, kann das Verhältnis der aus beiden Lichtwellenleitern austretenden Leistungen gemessen werden, um ein von der Stärke der Kopplung abhängiges Signal zu erzeugen. Dieses Signal ist dann unabhängig von Schwankungen der Leistung der Lichtquelle.
Ein solcher faseroptischer Sensor mit verteilten Sensorelementen kann ebenso wie der anhand der Figuren 1 bis 9 beschriebene anstelle der bekannten Anordnung einer Vielzahl von Elementen verwendet werden und ist eine passive Anordnung, die sich von einer entfernten Anordnung abfragen läßt.

Claims

Patentansprüche Faseroptischer Sensor, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß er aus einem oder mehreren in Intervallen aufeinanderfolgenden Abschnitten einer optischen Faser oder eines optischen Kabels besteht, der zur Führung von zwei Moden oder von zwei Polarisationen eines Modus ausgelegt ist, und dessen Kopplung der Moden oder der Polarisationen von einer äußeren Einflußgröße abhängig ist, derart, daß in einem der genannten Abschnitte eine minderung dieser Einflußgröße als änderung der Kopplung der Moden oder der Polarisationen feststellbar ist und damit diese Abschnitte als Sensorelemente wirksam sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Sensorelemente die Anderung der Kopplung bei einer individuellen optischen Frequenz geschieht, derart, daß eine Anderung der zu erfassenden Einflußgröße anhand der optischen Frequenz räumlich entlang der Länge der optischen Faser auflösbar ist.
3. Sensoreinrichtung mit einer Lichtquelle, einem faseroptischen Sensor und einem Lichtdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß als faseroptischer Sensor ein Sensor nach Anspruch 1 oder 2 verwendet ist, daß sie Mittel (2, 3) enthält, die den als Sensorelement vorgesehenen Abschnitt (1) der optischen Faser abhängig von der zu erfassenden Einflußgröße entlang seiner Länge periodisch verformen und dadurch die Kopplung verursachen, wobei die Periode gleich der Schwebungslänge zwischen den beiden Moden oder Polarisationen bei einer vorbestimmten optischen Frequenz ist und daß der Lichtdetektor eine Minderung der Kopplung im Sensorelement und damit eine Anderung der diese bestimmenden Einflußgröße anzeigt, (Fig. 3).
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Faserabschnitt (11) verformenden Mittel (2, 3) aus einer Unterlage (2) und einer Abdeckung (3) bestehen, zwischen denen der Faserabschnitt angeordnet ist, wobei die Unterlage (2) oder/und die Abdeckung (3) eine derart geformte, an den Faserabschnitt angrenzende Oberfläche hat, daß beim Zusammendrücken von Unterlage und Abdeckung durch die zu erfassende Einflußgröße der dazwischenliegende Faserabschnitt die periodische Verformung erfährt (Fig. 3)
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (5) ein zylindrischer Körper (5) ist, dessen Durchmesser sich über seine Länge periodisch ändert, wobei die Periode gleich der Schwebungslänge ist und daß der Faserabschnitt (4) entlang der Länge des zylindrischen Körpers (5) auf diesem aufliegt und durch eine die Abdeckung bildende Hülse festgehalten wird, auf welche die zu erfassende Einflußgröße einwirkt (Fig. 4a).
6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (7, 8) ein mit einem Draht (7) oder dergleichen schraubenförmig bewickelter zylindrischer Körper (8) ist, der durch die Bewicklung eine gewellte Oberfläche hat, wobei die Periode gleich der Schwebungslänge ist und daß der Faserabschnitt (4) entlang der Länge des zylindrischen Körpers (5) auf diesem aufliegt und durch eine die Abdeckung bildende Hülse festgehalten wird, auf welche die zu erfassende Einflußgröße einwirkt (Fig. 5).
7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage ein länglicher Körper (10, 11) mit einer gewellten Oberfläche ist und daß der Faserabschnitt (13) schraubenförmig auf diesen Körper aufgewickelt ist, derart, daß der Faserabschnitt periodisch verformt wird, wenn er durch die Wirkung der zu erfassenden Einflußgröße auf die gewellte Oberfläche gedrückt wird.
8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper eine mit Längsnuten versehene Welle (10) ist (Fig. 6).
9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper ein zylindrischer Körper (11) ist, auf dem sich eine verseilte Schicht (12) aus einer Vielzahl von Drähten oder dergleichen befindet (Fig. 7).
10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage ein länglicher Körper ist, daß der Faserabschnitt schraubenförmig auf diesen Körper aufgewickelt ist und daß die Abdeckung eine Hülse mit gewellter Oberfläche ist, die den Faserabschnitt periodisch verformt, wenn sie durch die Wirkung der zu erfassenden Einflußgröße auf den Faserabschnitt gedrückt wird.
11. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserabschnitt (15) an beiden Enden in Endstücke (16) übergeht/ die zur Führung eines einzigen, gemeinsamen Modus oder einer einzigen, gemeinsamen Polarisation ausgelegt sind.
12. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Faserabschnitte über die Länge der optischen Faser im wesentlichen konstant und daß die die verschiedenen Faserabschnitte verformenden Mittel verschieden sind.
13. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Faserabschnitte sich über die Länge der optischen Faser ändern und daß die die verschiedenen Faserabschnitte verformenden Mittel im wesentlichen gleich sind.
14. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Faserabschnitte und die sie verformenden Mittel sich über die Länge der optischen Faser ändern.
15. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser oder das optische Kabel zwei eng beieinanderliegende Lichtwellenleiter enthält, wobei jeder einen Modus führt und wobei Licht, das in den einen Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, abhängig von der zu erfassenden Einflußgröße in den jeweils anderen übergekoppelt wird.
16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei eng beieinanderliegenden Lichtwellenleiter enthaltende optische Faser aus einem inneren Kern (1) mit kreisförmigem Querschnitt, einem äußeren Kern (3) mit kreisringförmigem Querschnitt, einer dazwischenliegenden Mantelschicht (2) und einer den äußeren Kern (3) umgebenden äußeren Mantelschicht (4) besteht und daß der Brechungsindex der äußeren Mantelschicht (4) in den als faseroptische Sensorelemente vorgesehenen Abschnitten der optischen Faser von der zu erfassenden Einflußgröße abhängt (Fig. 10).
17. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des äußeren Kerns (3) sich entlang der Länge der optischen Faser ändert, derart, daß in den verschiedenen Sensorelementen die -Kopplung bei verschiedenen optischen Frequenzen geschieht.
18. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der äußeren Mantelschicht (4) sich entlang der Länge der optischen Faser ändert, derart, daß in den verschiedenen Sensorelementen die Kopplung bei verschiedenen optischen Frequenzen geschieht.
19. Sensoreinrichtung mit einer Lichtquelle, einem faseroptischen Sensor und einem Lichtdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß als faseroptischer Sensor ein Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2, 15, 16, 17, 18 verwendet ist und daß der Lichtdetektor eine änderung der Kopplung im Sensor und damit eine Anderung der diese bestimmenden Einflußgröße anzeigt.
20. Sensoreinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle entweder eine breitbandige Lichtquelle oder eine Lichtquelle mit veränderbarer Wellenlänge ist.
21. Sensoreinrichtung nach Anspruch 20 und einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in den inneren Kern (1) Licht eingekoppelt wird, daß der äußere Kern (3) eine größere Dämpfung als der innere Kern (1) hat, daß die nach der Kopplung in den Sensorelementen im inneren Kern (1) verbleibende Lichtleistung sich mit der zu erfassenden Einflußgröße ändert und daß der Lichtdetektor Mittel enthält, um das aus der optischen Faser austretende Licht spektral zu analysieren und die Amplituden der verschiedenen Frequenzkomponenten festzustellen.
22. Sensoreinrichtung nach Anspruch 20 und einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in den inneren Kern (1) Licht eingekoppelt wird, daß der innere Kern (1) und der äußere Kern eine geringe Dämpfung haben und daß der Lichtdetektor Mittel enthält um das Verhältnis der aus den beiden Kernen (1, 3) der Faser austretenden Lichtleistungen zu messen und ein von der Kopplung abhängiges Signal zu erzeugen, das unabhängig von Leistungsschwankungen der Lichtquelle ist.