DE3419580A1

DE3419580A1 - Mehrkanaliger faseroptischer sensor

Info

Publication number: DE3419580A1
Application number: DE19843419580
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr.rer.nat. 2110 Buchholz Brinkmeyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1985-11-28

Description

Patentanmeldung

Erfinder: Brinkmeyer, Ernst, Dr. rer. nat. Mittelstraße 33 2110 Buchholz

Anmelder: wie oben

Bezeichnung der

Erfindung: Mehrkanaliger faseroptischer Sensor

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor auf interferometrischer Basis, der es gestattet, gleichzeitig zwei physikalische Meßgrößen oder eine Meßgröße in Anwesenheit einer Störgröße fortlaufend zu bestimmen. Mögliche Meß- bzw. Störgrößen sind Druck-, Temperatur- oder Dehnungsunterschiede etc. zwischen den Interferometerarmen. Zur Verdeutlichung des Prinzips wird im folgenden angenommen, daß Dehnung und Temperatur diese beiden wirksamen Größen sind; im Einzelfall sind auch andere Kombinationen denkbar.

Interferometrische faseroptische Dehnungsaufnehmer leiden an der großen Temperaturabhängigkeit. Soll z.B. eine Dehnung von

10 nachgewiesen werden, so muß die Änderung der Temperatur-

-4

differenz der beiden Interferometerarme weniger als 10 κ betragen. Eine derartige Anforderung ist über längere Meßzeiten kaum aufrechtzuerhalten. Bei Verwendung eines Einfaserpplarisationsinterferometers sind die Anforderungen typischerweise sogar um eine Größenordnung stärker.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sowohl ein konventionelles faseroptisches Mach-Zehnder-Interferometer wie auch ein Einfaser-Polarisationsinterferometer temperatur- und dehnungsempfindlich ist, doch beide Einflüsse unterschiedliche Gewichte haben. Die Erfindung löst die Aufgabe, ein Mach-Zehnder-Interferometer gleichzeitig als Polarisationsinterferometer zu benutzen.

Fig. 1 zeigt ein vorteilhaftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel: Die Lichtquelle (L) sendet dabei eine Welle aus mit einem normierten elektrischen Feld gemäß

I = e^jü)t e + e^j(ü)+Aco)t ey,

d.h. eine χ-polarisierte Welle der Frequenz ω und eine y-polarisierte Welle der Frequenz ω + Δω. Dieses Feld kann auch als ein mit der Frequenz Δω schwankender Polarisationszustand gedeutet werden. Mögliche Quellen dieser Art sind z.B. kurze stabilisierte He-Ne Laser (typ. Δω = 2π · 1 GHz) oder Zeemann-aufgespaltene He-Ne Laser (typ. Δω = 2π · 500 kHz). Ferner kann ein optisches Feld wie oben angegeben durch Strahlteilung, Polarisationsdrehung, akustooptische Frequenzverschiebung und Strahlvereinigung (typ. Δω = 2ττ · 100 MHz) oder mit Hilfe einer rotierenden λ/2-Platte (bis Δω = 2Tr-IkHz) realisiert werden.

Bei der Strahlteilung stehen sich entsprechende Faserhauptachsen der beiden Interferarme senkrecht, bei der Strahlvereinigung parallel zueinander. Für das elektrische Feld am Ende des Interferometers ergibt sich als überlagerung

(e) jü)t -jß_ML j(ü)+Aü>)t -je L E_x=ee^Mx + e e **

(e) jtt)t -Je₁₄L j(üi+Aü))t -J

E = e e * + e e

wobei die Längen der Interferometerarme (M,R) der Einfachheit halber als gleich angenommen wurden und 8_M , 3_M , $_n und 3_,

MX My xvX Ry

die Ausbrextungskonstanten in der χ- bzw. y-Polarisationsrichtung für Meß- und Referenzfaser bezeichnen.

Nach Trennung der Polarisationen am Ausgang (z.B. durch ein Wollaston-Prisma WP) sind die Detektorsignale (D2 und D3) gegeben durch

P₂ ~ |E_x ^(e) I² = 2 + 2 COS[AtOt

^P3 - |E_y ^(e)|² = 2 + 2 cos[Aü3t - (ß_Ry

Als weiteres Signal erhält man vor dem Interferometer (D1) P₁ _ ie^t + ^(ω+Δω)^² _{= 2 + 2 cos Aü)t}

Die entsprechenden normierten Wechselsignale lauten somit

f₁ = cos

f₂ = cos[Aü)t +(P₁J_x- Sr_x)¹¹I = cos(Δωt + φ_χ) = cos[Δωt + (3_M - ß_Ry)Ll = cos(Aü)t + φ )

Durch Verwendung zweier Phasendetektoren (zwischen D1, D2 und D2, D3) erhält man die Meßsignale φ und

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Beide sind abhängig von Temperatur- und Dehnungsdifferenzen. T und Δε zwischen den Interferometerarmen. In linearisierter Form können folgende Abhängigkeiten angenommen werden:

φ /L = AT + ΒΔε

ψ /L = aT +

Mögliche Abweichungen von dieser linearisierten Form können bei der Auswertung berücksichtigt werden. Bei bekannten Koeffizienten A/ B, a und b lassen sich die Meßgrößen Δε und T auf einfache Weise aus den Meßwerten φ und ψ berechnen. Für Δε ergibt sich:

1 1 A

[φ_χ - - Ψ1

' [φ_χ

¹ - ItI bl ^x a

Seien δφ und δ ψ die Genauigkeiten, mit denen φ und ψ ge-

Ji Ji

messen werden können, so ergibt sich die kleinste meßbare Dehnung zu

^δ(Δε) = —"τη— * --r ¹IH_xI + I - δψ_χ|ι

^{BL a}

Wichtig für das Meßprinzip ist es, daß die Gewichte A/B und a/b deutlich verschieden sind. Ferner ist ein möglichst kleiner Wert von |A/a| anzustreben. Mit typischen Werten für "Bow-tie" - oder "PANDA"-Fasern mit ca. 5 mm Schwebungslänge bei λ = 633 nm (A = 120/K · m, B = 8 · 10⁶/m, a = 3/K · m, b = 3 · 10 /m), Meßgenauigkeiten für φ und ψ von der Größe

10 rad - 0.1° und einer Faserlänge von L = 1 m ergibt sich

— 9 —

δ(Δε) s 5 * 10 . Bei einer maximalen Dehnung Δε = 10 erhält man somit eine Dynamik von 6-7 Dekaden, die sich durch Verwendung von Fasern mit kürzerer Schwebungslänge und durch eine genauere Phasenmessung um 1 - 2 Dekaden steigern lassen müßte. Darüber hinaus steht der Weg zu größeren Faserlängen offen.

Im Gegensatz zu der Prinzipsskizze in Fig. 1, können wie bei anderen faseroptischen Interferometern weitgehend integriertoptische und mikrooptische Bauelemente eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste zu Fig.1;

L: Lichtquelle, S: Strahlteiler, P: Polarisator, M: Meßfaser, R: Referenzfaser, WP: Wollastonprxsma, D1...D3: Detektoren; χ',χ": Ausrichtung einer Faserhauptachse (z.B. der schnellen Hauptachse), y¹,y¹':Ausrichtung der anderen Hauptachse

Claims

Mehrkanaliger faseroptischer Sensor Patentansprüche:

1) Faseroptischer Sensor, dadurch gekennzeichnet/ daß er linear doppelbrechende, polarisationserhaltende Monomodefasern enthält, und sowohl die Wirkung der physikalischen Meßgrößen bzw. Störgrößen auf die einzelnen Moden als auch auf die Doppelbrechung ausgewertet wird.

2) Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Art des Aufbaus nur zwei Meßgrößen bzw. eine Meßgröße und eine Störgröße wesentlichen Einfluß auf die Faser ausüben, oder die Faser derart gestaltet ist, daß sie nur für diese empfindlich ist.

3) Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung die Form eines faseroptischen Mach-Zehnder-Interferometers aufweist unter Benutzung beider orthogonal polarisierter Fasermoden.

4) Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Benutzung beider orthogonal polarisierter Fasermoden die Meßanordnung die Form eines anderen Interferometers, wie z.B. eines Michelson-Interferometers, aufweist.

5) Sensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserhauptachsen in beiden Interferometerarmen

gegeneinander so ausgerichtet sind, daß zwei durch Polarisation unterschiedene Interferometer betrieben werden können.

6) Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich
entsprechende Faserhauptachsen der beiden Interferometerarme bei der Strahlteilung senkrecht und bei der Strahlvereinigung parallel zueinander stehen oder umgekehrt, so daß zwei Eingangspolarisationszustände existieren, bei denen
das Licht jeweils einen Interferometerarm mit Polarisation entlang der großen Hauptachse, den anderen Interferometerarm mit Polarisation entlang der kleinen Hauptachse durchläuft und nach der Vereinigung der Lichtstrahlen bis auf
unerwünschte Überkopplungen keine Interferenzerscheinungen auftreten, oder die gleiche Wirkung durch optische Mittel
erzielt wird.

7) Sensor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Meßsignale φ und φ beider Interferenzkanäle Phasennachführungs-/ Quadratur- oder Heterodyne-Verfahren eingesetzt werden.

8) Sensor nach Anspruch 6., dadurch gekennzeichnet, daß Licht
mit einem elektrischen Feldvektor gemäß

ii = E_Q[exp(jü)t)e~_x + exp(j(ü) +

in beide Interferometerarme eingekoppelt wird, wobei
e und e die Richtungen der Faserhauptachsen und ω
und ω + Δω zwei optische Frequenzen bezeichnen.

• ο ·

9) Sensor nach Anspruch 8., dadurch gekennzeichnet, daß drei Meßsignale der folgenden Art gewonnen werden:

a) f ₁ (t) = cos(Aü)t) durch Abzweigung eines Teils des Lichtes vor Eintritt in das Interferometer und Durchtritt durch ein geeignet orientiertes Polarisationsfilter

b) f_o(t) = cos(Aü)t + φ ) als Interferenzsignal hinter dem

ζ» χ

Interferometer für die x-Polarisationsrichtung und

c) f ₃ (t) = cos(Aü)t + φ ) als entsprechendes Signal für die y-Polarisationsrichtung.

10) Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus den drei Signalen f.., f₂, f₃ durch Phasenvergleich die Phasenwinkel φ und φ oder φ und ψ = φ - φ fortlau-

X y X X y

fend bestimmt werden.

11) Sensor nach Anspruch 7 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus den MeßSignalen φ und ψ die gesuchten physikalischen Meßgrößen berechnet werden.