DE3517825C1

DE3517825C1 - Faseroptischer Sensor

Info

Publication number: DE3517825C1
Application number: DE19853517825
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. Dr. 8035 Stockdorf Dietrich; Walter Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Kroy
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1986-04-30

Description

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischen Sensor der obengenannten Art zu schaffen, mit dem insbesondere die Einwirkung von Gravitationsfeldern, welche beispielsweise durch vorbeifahrende Fahrzeuge und dergleichen erzeugt werden, meßbar sind.
Dies Aufgabe erfüllt ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeter faseroptischer Sensor. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In F i g. ist der prinzipielle Aufbau eines faseroptischen Gravitationssensors dargestellt. Das Licht einer kohärenten Lichtquelle 1 wird gleichzeitig durch zwei Lichtleiterschleifen 2 und 3 mit jeweils n-Windungen geleitet. Die beiden Lichtleiterschleifen 2 und 3 sind im oberen Teil 2.1 und 3.1 fest in ein Gehäuse 4 eingebettet und im unteren Teil 2.2 und 3.2 frei beweglich. An den jeweiligen freibeweglichen Teilen der Lichtleiterschleifen 2 und 3 hängt eine gemeinsame, fest mit diesen Teilen verbundene Masse 6, die auf Graviationskräfte oder Beschleunigungen mit einer geringen Auslenkung reagiert. Bei Auslenkung der Masse 6 ändern sich die Krümmungsradien der beiden Lichtleiterschleifen, was aufgrund von Brechungsindexänderungen zu Veränderungen in der optischen Weglänge der beiden Lichtleiterschleifen führt. Bei Auslenkung der trägen Masse 6 in horizontaler Richtung (parallel zur Zeichenebene) wird die optische Weglänge zum Beispiel in der Lichtleiterschleife 2 größer und gleichzeitig in der Lichtleiterschleife 3 kleiner oder umgekehrt. Je größer die Anzahl der Windungen n der einzelnen Lichtleiterschleifen ist, um so größer ist die entstehende Differenz der optischen Weglängen. Die Messung der optischen Weglängenänderung erfolgt in den Interferometersystemen 7 und 8, welchen über fest mit dem Gehäuse 4 verbundene Lichtleitfasern 9 und 10 das Referenzlicht aus der Lichtquelle 1 zugeführt wird.
Bei einer einfachen Interferenz zwischen dem beispielsweise aus der Faser 2 und dem aus der Referenzfaser 9 vergleichbarer Länge austretenden Licht entstehen bei Veränderung der optischen Weglänge in der Faser 2 abwechselnd Interferenzmaxima und -minima, wobei allein daraus nicht zu erkennen wäre, ob sich in der Faser 2 die optische Weglänge vergrößert oder verkleinert hat. Um diese Zusatzinformation zu gewinnen, die für die Positionsbestimmung der Masse erforderlich ist, wird ein Doppelinterferenzverfahren angewendet, welches anhand der 2 und 3 erklärt wird.
Bei diesem Doppelinterferenzverfahren wird zum Beispiel ein Teil des Lichtes F2 der Faser 2, mit einer ersten Referenzwelle R aus der Faser 9 zur Interferenz gebracht. Ein anderer Teil des Lichtes aus der Faser 2 wird durch eine im Interferometer 7 mittels eines Phasenschieberelementes 7.1 erzeugten zweiten Referenzwelle R'zur Interferenz gebracht, wobei die beiden Referenzwellen eine optisch fest vorgegebene kleine Phasenverschiebung dm gegeneinander haben. Bewegt sich nun zum Beispiel bei Verlängerung der optischen Weglänge in der Faser 2 deren Ausgangswelle F2 in Pfeilrichtung (F i g. 2), dann tritt das Interferenzminimum mit der zweiten Referenzwelle R'zeitlich früher ein als dasjenige mit der ersten Referenzwelle R. Bei Verkürzung der optischen Weglänge in der Faser 2 bewegt sich die Welle entgegen der Pfeilrichtung, das heißt es tritt zeitlich erst das Interferenzminiumum mit der ersten und später das mit der zweiten Referenzwelle auf. Diese Zeitinformation wird bei dem in F i g. 3a dargestellten Detektionssystem zur Erkennung der Bewegungrichtung der Masse 6 ausgenutzt Mittels eines Strahlenteilers 7.2 werden die zur Interferenz bestimmten Lichtwellen den Detektoren 7.4 und 7.5 zugeführt (F i g. 3a). Das Interferenzsignal zwischen der aus der Faser 2 austretenden Welle F2 und der aus der Referenzfaser 9 austretenden ersten Referenzwelle R wird im Detektor 7.4 und dasjenige mit der zweiten Referenzwelle R'im Detektor 7.5 registriert, wobei, wie oben erwähnt, durch ein optisches Element 7.1 eine Phasenverschiebung dm zwischen der ersten und zweiten Referenzwelle erzeugt wird. Die Ausgangssignale der Detektoren 7.4 und 7.5 werden zwei Komperatoren 7.6 und 7.7 zugeführt und mit einer Referenzspannung UREF verglichen. Für diese Referenzspannung gilt: UREF = a Umax, wobei Umax die Spannung der Interferenzmaxima und gr ein Proportionalitätsfaktor <1 ist.
Die Phasenverschiebung dm und die Referenzspannung UREF kann so gewählt werden, daß sich für die Ausgangssignale C1 und C2 der Komparatoren 7.6 und 7.7 die in F i g. 3b angegebene Phasenbeziehung ergibt.
Wird den Komparatoren 7.6 und 7.7, wie dargestellt, ein positiv flankengetriggertes D-Flip-Flop 7.8, zum Beispiel vom Typ SN 74175, nachgeschaltet, dann wird zum Zeitpunkt der positiven Flanke von C2 der Zustand des Signals C1 am Ausgang Q des D-Flip-Flops 7.8 gespeichert Dieser Wert A, der zwischen logisch 0 und 1 wechselt, gibt an, ob es sich um eine Verlängerung oder Verringerung der optischen Weglänge in der Faser 2 gehandelt hat, was wiederum die Bewegungsrichtung der Masse 6 bestimmt. Das Signal C1 hat pro Interferenzminimum eine positive Impulsflanke. Zur endgültige Bestimmung der Position der Masse 6 muß nun noch in einem Zähler 7.9 die Anzahl der Flanken des Signals C1 ausgezählt werden, wobei die Zählrichtung (vorwärts oder rückwärts) durch das Signal A bestimmt wird.
Für jede der beiden Lichtleiterschleifen 2 und 3 ist ein Detektionssystem nach F i g. 3a erforderlich. Zur Kompensation von Temperaturschwankungen oder Vertikalbeschleunigungen etc. und damit zur Erhöhung der Stabilität des Systems werden die zu zählenden positiven Flanken des Signals C1 einem mehrstufigen Vorwärts-Rückwärtszähler mit den Steuersignalen A so zugeführt, daß bei gleichsinniger Veränderung der optischen Weglänge beider Lichtleiterschleifen 2 und 3 die Anzahl der zu zählenden Interferenzflanken aus beiden Schleifen voneinander abgezogen werden und sich dadurch der Zählerstand im wesentlichen nicht ändert. Bei gegensinniger Veränderung der optischen Weglängen in den beiden Lichtleiterschleifen 2 und 3 werden die Anzahl der zu zählenden Interferenzflanken aus beiden Schleifen addiert, wobei sich das Vorzeichen des Zählergebnisses aus der Bewegungsrichtung der Masse 6 ergibt Zur Richtungsbestimmung eines sich dem Detektor innerhalb einer Bezugsebene annähernden Objektes ist ein Doppelsystem mit insgesamt vier Lichtleiterschleifen, vier Detektoren und zwei Auswerteschaltungen erforderlich, wobei jeweils zwei Schleifen in einer Ebene liegen und die beiden Ebenen sowohl zueinander als auch zur Bezugsebene senkrecht stehen. Aus den Ausgangsdaten der beiden Auswerteschaltungen ist dann direkt die Richtung der einwirkenden Gravitationskraft bestimmbar.
Zur Dämpfung des Systems gegenüber Schwingungen und Erschütterungen kann es vorteilhaft sein, die Lichtleiterschleifen 2 und 3 sowie die Masse 6 in einer Flüssigkeit mit definierter Viskosität zu lagern.
Weiterhin kann es zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Stabilität des Systems vorteilhaft sein, die Ausgangsdaten einem digitalen Rechner zur weiteren Verarbeitung zuzuführen, der mit bekannten mathematischen Methoden eine Frequenzfilterung vornimmt und zur Ausschaltung der durch Masseschwingungen verursachten Oszillationen deren Nulldurchgänge durch die Ruhelage bestimmt.

Claims

Patentansprüche: 1. Faseroptischer Sensor zur Messung mechanischer Größen, insbesondere von Gravitationskräften, mit einer trägen Masse, welche mit mindestens einer Lichtleitfaser verbunden ist, wobei die Lichtleitfaser ein an einem Gehäuse fest eingespanntes und ein hierzu bewegliches, mit der trägen Masse verbundenes Teil aufweist, mit eine Licht in die Lichtleitfaser einspeisenden Lichtquelle sowie mit mindestens einem optoelektrischen Detektor für aus der Lichtleitfaser tretendes Licht zur Umwandlung von Lageänderungen der Lichtleitfaser in entsprechende elektrische Signale, gek e n n z ei eh ne t durch a) mindestens eine Lichtleiterschleife (2, 3) als Lichtleitfaser, deren am Gehäuse (4) eingespanntes Teil und deren mit der trägen Masse (6) verbundenes Teil sich je über Teile ihres Umfangs erstrecken, b) mindestens eine fest mit dem Gehäuse (4) verbundene Referenzlichtleitfaser (9, 10) sowie durch c) mindestens ein jeder Lichtleiterschleife (2, 3) zugeordnetes Interferometer (7, 8) zur Messung von optischen Wellenlängenänderungen.
2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) zwei, nebeneinander auf einer gemeinsamen Ebene angeordnete Lichtleiterschleifen (2, 3 die mit dem jeweils freibeweglichen Teil (2.2, 3.2) mit einer gemeinsamen trägen Masse (6) verbunden sind, b) je eine, einer Lichtleiterschleife (2, 3) zugeordnete Referenzlichtleitfaser (9, 10), c) je ein, einer Lichtleiterschleife (2,3) zugeordnetes Interferometer (7,8) sowie durch d) eine Auswerteschaltung (7.6 bis 7.9) zur Unterscheidung von gleich- oder gegensinnigen optischen Weglängenänderungen der Lichtleiterschleifen (2, 3).
3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei auf senkrecht zueinander ausgerichteten Ebenen angeordnete Lichtleiterschleifenpaare sowie eine gemeinsame Masse.
4. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtleiterschleife (2, 3) mehrere Windungen aufweist.
5. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Weglängenänderungen einer Lichtleiterschleife nach dem Doppelinterferenzverfahren bestimmt wird.

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zur Messung mechanischer Größen, insbesondere von Gravitationskräften, mit einer trägen Masse, welche mit mindestens einer Lichtleitfaser verbunden ist, wobei die Lichtleitfaser ein an einem Gehäuse fest eingespanntes und ein hierzu bewegliches, mit der trägen Masse ver- bundenes Teil aufweist, mit einer Licht in die Lichtleitfaser einspeisenden Lichtquelle sowie mit mindestens einem optoelektrischen Detektor für aus der Lichtleitfaser tretendes Licht zur Umwandlung von Lageänderungen der Lichtleitfaser in entsprechende elektrische Signale.

Ein faseroptischer Sensor der obengenannten Art ist beispielsweise aus der DE-OS 3230 615 bekannt und besteht aus einer elastischen Lichtleitfaser, welche einseitig fest eingespannt ist und deren freies Ende infolge Krafteinwirkung oder Wegaufprägung ausgelenkt wird.

Das von dem beispielsweise als träge Masse wirkenden freien Ende der Lichtleitfaser abgestrahlte Licht gelangt auf einen oder mehrere optoelektrische Detektoren, welche dann eine zum Beispiel durch Beschleunigungen verursachte von der Auslenkung der Lichtleitfaser abhängige Lichtstärke empfangen und ein entsprechendes elektrisches Signal abgeben.

Zur Messung sehr geringer Kräfte, zum Beispiel von Gravitationskräften, reicht die Empfindlichkeit eines derartigen Sensors nicht aus, da die Auslenkungen der Lichtleitfaser im Vergleich zum Durchmesser des austretenden Lichtbündels sowie der Fläche des Detektors zu klein ist, um meßbare Intensitätsänderungen zu erzeugen.

Aus der DE-OS 29 21 788 ist ein Schwerkraftgradiometer bekannt, welches nach dem Laser-Kraftmeßprinzip arbeitet. Dabei wird ein Laserstrahl in einem Ring geführt, wobei zwei als Modulatoren dienende spannungsoptische Elemente, an denen Massen angeordnet sind, von dem Laserstrahl durchsetzt werden. Aufgrund von Schwerkraftdifferenzen am Ort der beiden Massen entsteht eine Differenzmodulation des Laserstrahles, die proportional zur Schwerkraftdifferenz ist. Da die Massen hier direkt auf einen Festkörper wirken, müssen sie entweder entsprechend groß sein, oder deren Krafteinwirkung durch Hebel verstärkt werden. Beides führt zu ungünstigen Resonanzfrequenzen.

Aus der DE-OS 30 27 476 ist eine faseroptische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von Licht definierten Polarisationszustandes bekannt. Eine derartige Anordnung ist auch als Sensor geeignet, wobei durch elastische Dehnung einer Lichtleitfaser, die eine lineare Doppelbrechung aufweist, deren optische Eigenschaften verändert und gemessen wird. Ein Hinweis auf die Verwendung einer derartigen Einrichtung zur Messung von Gravitationskräften und dergleichen mit einer trägen Masse wird jedoch nicht gegeben.

Aus der DE-PS 30 31 961 ist eine interferometrische Einrichtung zur Messung physikalischer Größen mit einer Lichtleitfaser bekannt, bei der eine Deformationsinformation (Längung-Stauchung) einer Monomode-Lichtleitfaser erhalten wird, die den Richtungssinn der Belastung der Lichtleitfaser erkennt. Diese Anordnung beinhaltet jedoch keine träge Masse als funktionswesentliches Bauteil zur Messung und Richtungserkennung von Gravitationskräften und dergleichen.

Eine ähnliche Anordnung ist aus APPLIED OPTICS, Sept. 1978, Seiten 2867-2869 bekannt. Auch hierbei wird eine Lichtleitfaser auf Biegung beansprucht und deren dadurch verursachte Änderungen der optischen Eigenschaften interferometrisch gemessen. Die Verwendung einer trägen Masse entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 findet jedoch auch hier nicht statt.