DE3627188A1 - Verfahren und anordnung zur faseroptischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faseroptisches Verfahren zur Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung und eine faseroptische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Messung physikalischer Größen, wie z. B. Druck, Temperatur, Position ist in der industriellen Regelungs- und Automatisierungstechnik ein zentrales Problem. Die zu messende Größe wird hierzu mit einem geeigneten Meßwertaufnehmer aufgenommen und in ein Signal umgewandelt, das zur elektronischen Weiterverarbeitung oft über größere Entfernungen zu einer Auswerteeinheit weitergeleitet werden muß. Sogenannte faseroptische Sensoren, die den zu messenden Parameter in ein optisches Signal umwandeln, sind für derartige Aufgaben aus mehreren Gründen besonders geeignet. Die Vorteile faseroptischer Sensoren bestehen im wesentlichen darin, daß keine elektrischen Leitungen zur Strom- und Spannungsversorgung des Meßwertaufnehmers sowie zur Signalübertragung zwischen Auswerteeinheit und Meßwertaufnehmer erforderlich sind. Meßwertaufnehmer und Auswerteeinheit sind somit galvanisch getrennt und können ohne besondere Schutzmaßnahmen beispielsweise in der Hochspannungstechnik oder in der Medizin eingesetzt werden. Da nur kleine optische Leistungen zum Betrieb der faseroptischen Sensoren erforderlich sind, ist auch ihre Verwendung in explosionsgefährdeten Umgebungen möglich. Außerdem sind faseroptische Sensoren auch bei größeren Übertragungsstrecken unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder.

Viele physikalische Meßgrößen, wie z. B. Druck und Temperatur lassen sich durch geeignete Meßwertaufnahmer in eine Positionsänderung umwandeln. Diese Positionsänderung kann beispielsweise durch die Auslenkung einer druckempfindlichen Membran oder durch die thermische Dehnung eines Bimetallkörpers hervorgerufen werden. Mittels einer im Meßwertaufnehmer untergebrachten optischen Vorrichtung wird dann bei faseroptischen Wegaufnehmern die Information über die räumliche Lage beispielsweise durch eine Änderung der Intensität oder der spektralen Zusammensetzung des in den Meßwertaufnehmer über einen Lichtleiter eingekoppelten Lichtes dem sich vom Aufnehmer zur Auswerteeinheit ausbreitenden Lichtstrom aufgeprägt.

Aus "Automatisierungstechnische Praxis, atp, 27 (1985), 3, Seiten 117-123" ist ein faseroptischer Wegaufnehmer zur analogen Wegmessung bekannt, bei dem das aus einer ersten Lichtleitfaser austretende Licht an einer gegenüber dem Austrittsende verschiebbar angeordneten spiegelnden Fläche reflektiert wird und in eine zweite Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Die Intensität des in die zweite Lichtleitfaser eingekoppelten Lichtes hängt vom Abstand x der reflektierenden Fläche vom Austrittsende der ersten und vom Eintrittsende der zweiten Lichtleitfaser ab.

Da bei einer derartigen Anordnung von der in der Auswerteeinheit mittels eines optischen Empfängers gemessenen Lichtintensität direkt auf die Weglänge x geschlossen wird, haben beispielsweise zeitlich veränderliche Übertragungsverluste in der Lichtleitfaser, beispielsweise hervorgerufen durch Biegung und Alterung, oder in den optischen Kopplern einen direkten Einfluß auf das Meßresultat.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist aus "Automatisierungstechnische Praxis, atp 27 (1985), 4, Seiten 178- 183" ein Wegaufnehmer bekannt, bei dem spektral breitbandiges Versorgungslicht ein entsprechend der Meßgröße x verschiebbar angeordnetes Verlauffilter durchstrahlt. Dessen optische Durchlaßfrequenz ₀ hängt für ein schmales Lichtbündel monoton vom Ort des Bündels im Filter ab. Die Positionsinformation ist somit der spektralen Intensitätsverteilung des transmittierten Lichtes aufgeprägt und kann beispielsweise mittels einer Spektrometeranordnung oder eines zweiten mechanisch gesteuerten Verlauffilters dekodiert werden.

In "J. Phys. E.: Sci. Instrum. Vol. 18, 1985, Seiten 770 bis 782" ist außerdem ein als Drucksensor ausgebildeter Wegaufnehmer offenbart, bei dem aus einer ersten Lichtleitfaser austretendes Licht durch ein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts verschiebbar angeordnetes holographisches Gitter in eine zweite Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Das Licht enthält zwei spektral unterschiedliche Komponenten, deren eine unabhängig von der Gitterstellung in die zweite Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Der Transmissionsgrad für die andere Komponente hängt von der Stellung des holographischen Gitters ab. Aus dem Verhältnis der beiden transmittierten Intensitäten wird dann die Wegänderung ermittelt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optischen Messung einer Weglänge oder Weglängenänderung anzugeben, bei dem der Einfluß von Übertragungsverlusten in den optischen Zuleitungen weitgehend eliminiert ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine faseroptische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden jeweils gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 4. Die Weglänge x ist jeweils in der Intensität der in die Lichtleitfaser reflektierten unterschiedlichen spektralen Komponenten des Lichtes enthalten. Da die Reflexion für die unterschiedlichen spektralen Komponenten an unterschiedlichen spiegelnden Flächen erfolgt, ist die sich zwischen Weglänge x und Intensität I des in die Lichtleitfaser reflektierten Lichtes ergebende Beziehung für die unterschiedlichen spektralen Komponenten verschieden. Wird das Verhältnis aus den zu zwei unterschiedlichen spektralen Komponenten gehörenden Empfangssignalen gebildet, so können die optischen Übertragungsverluste eliminiert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden zwei spektral unterschiedliche Lichtquellen abwechselnd im Pulsbetrieb angesteuert. Damit ist eine besonders einfache spektrale Dekodierung in einem einzigen spektral breitbandig empfindlichen Empfänger möglich, da das Empfangssignal infolge des abwechselnden Pulsbetriebes der Lichtquellen eindeutig der jeweils sendenden Lichtquelle zugeordnet werden kann.

Werden zusätzlich die Intensitäten des von den beiden Lichtquellen in die Lichtleitfaser eingekoppelten Lichtes gemessen, so kann auch der Einfluß der Intensität der Lichtquellen auf das Meßergebnis eliminiert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung eines Wegaufnehmers werden die verschiedenen Spiegelflächen für die zwei unterschiedlichen spektralen Komponenten dadurch gebildet, daß im Strahlengang des vom Ende der Lichtleitfaser austretenden Lichtes ein optisches Filter angeordnet ist, das wenigstens annähernd nur für das Licht einer der beiden Lichtquellen durchlässig ist und das Licht der anderen Lichtquelle reflektiert. Das durch das optische Filter hindurchtretende Licht wird an einem konkaven Spiegel reflektiert. Durch die unterschiedliche Oberflächengestalt der beiden Spiegel ist gewährleistet, daß die Beziehung zwischen Weglänge und Intensität für die zu den beiden Lichtquellen gehörenden Signale unterschiedlich ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das optische Filter ein als Kantenfilter ausgebildetes Interferenzfilter, das auf der Flachseite einer plankonvexen Linse angeordnet ist, deren gekrümmte Fläche verspiegelt ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 der Wegaufnehmer einer faseroptischen Anordnung zur Messung einer Weglänge gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist. In

Fig. 2 ist die Intensität des in die Lichtleitfaser reflektierten Lichts gegen die Weglänge x für zwei verschiedene Wellenlängen aufgetragen.

Fig. 3 und 4 zeigen den zeitlichen Verlauf der von den beiden Lichtquellen emittierten Lichtsignale und in

Fig. 5 und 6 ist die am Meßempfänger bzw. Referenzempfänger gemessene Lichtintensität gegen die Zeit aufgetragen. In

Fig. 7 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Sende- und Empfangsvorrichtung der faseroptischen Anordnung zur Messung einer Weglänge gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Meßwertaufnehmer 2 zwei tubusförmig angeordnete zylindrische Teile 21 und 22, die ineinander in Richtung des Doppelpfeiles verschoben werden können. Der mit einer Lichtleitfaser 4 verundene zylindrische Teil 21 ist beispielsweise ortsfest. Gegenüber dem ersten Ende 5 der Lichtleitfaser 4 ist an der offenen Stirnseite des zylindrischen Teils 21 eine optische Abbildungsvorrichtung beispielsweise ein Mikroskopobjektiv oder eine Sammellinse 12 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich das erste Ende 5 der Lichtleitfaser 4 außerhalb des Brennpunktes der Sammellinse 12. Dadurch wird auch der Einfluß einer Lageänderung des ersten Endes 5 der Lichtleitfaser 4 senkrecht zur optischen Achse 9 des Meßwertaufnehmers 2, wie sie beispielsweise durch Vibrationen ausgelöst werden kann, verringert. Im verschiebbar angeordneten zylindrischen Teil 22 ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtes ein optisches Filter 6 angeordnet. Dahinter befindet sich eine beispielsweise konkav gekrümmte Spiegelfläche 10, an der das durch das optische Filter 6 hindurchtretende Licht reflektiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Filter 6 ein als Kantenfilter ausgebildetes ebenes Interferenzfilter, dessen Normale parallel zur optischen Achse 9 des Meßwertaufnehmers 2 verläuft. Die Spiegelfläche 10 wird in vorteilhafter Weise durch die verspiegelte gekrümmte Fläche einer plankonvexen Linse 8 gebildet, deren Mittelachse ebenfalls parallel zur optischen Achse 9 verläuft. Ein Teil des aus dem ersten Ende 5 der Lichtleitfaser 4 austretenden Lichtes 14 wird entsprechend seiner spektralen Zusammensetzung am optischen Filter 6 oder an der Spiegelfläche 10 reflektiert. Wird als optisches Filter 6 beispielsweise ein Kantenfilter verwendet, so wird Licht mit einer Wellenlänge λ₁, die kleiner als die Wellenlänge der Filterkante ist, bereits am Filter 6 reflektiert, während Licht mit einer Wellenlänge λ₂, die größer ist als die Wellenlänge der Filterkante, an der dahinter angeordneten Spiegelfläche 10 reflektiert wird. Die geometrischen Reflexionsbedingungen für das am Filter 6 reflektierte Licht 16 und das an der Spiegelfläche 10 reflektierte Licht 18 sind voneinander verschieden. Die Beziehungen zwischen der Intensität des in die Lichtleitfaser 4 reflektierten Lichtes und der Weglänge x sind damit für die beiden Wellenlängen ebenfalls unterschiedlich.

Der Meßwertaufnehmer 2 ist über die Lichtleitfaser 4 mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung 30 verbunden, die Lichtquellen und Lichtempfänger sowie Vorrichtungen enthält, die eine spektrale Dekodierung des reflektierten Lichtsignales ermöglichen.

Entsprechend Fig. 2 ergibt sich beispielsweise für Licht der Wellenlänge λ₁ eine fallende Charakteristik, wenn das erste Ende 5 der Lichtleitfaser 4 zwischem dem Brennpunkt und dem Scheitelpunkt der Sammellinse 12 angeordnet ist. Im anderen Fall ergibt sich eine ansteigende Charakteristik. Entsprechend der Brennweite des aus Sammellinse 12, Plankonvexlinse 8 und Spiegelfläche 10 gebildeten optischen Abbildungssystem kann sich beispielsweise für Licht der Wellenlänge λ₂ eine mit wachsendem Abstand ansteigende Charakteristik erzeugt werden. Die in die Lichtleitfaser 4 reflektierte an einem Empfänger am anderen Ende der Lichtleitfaser 4 gemessene Lichtintensität ist eine Funktion der Weglänge x und es gelten die Beziehungen

I _{m, 1} = I _{e, 1} · V₁ · f₁ (x)
I _{m, 2} = I _{e, 2} · V₂ · f₂ (x)

Die Faktoren V₁ und V₂ berücksichtigen die Dämpfung der Übertragungsstrecke für die Wellenlängen λ₁ und λ₂ · I _{e, 1} und I _{e, 2} sind die in die Lichtleitfaser 4 von den Lichtquellen eingekoppelten zu λ₁ bzw. g₂ gehörigen Lichtintensitäten. Die Faktoren f₁(x) und f₂(x) geben die für unterschiedliche Wellenlänge verschieden von der Weglänge x abhängigen, in die Lichtleitfaser 4 reflektierten Lichtanteile wieder. Sind die Übertragungsverluste für beide Wellenlängen gleich groß oder unterscheiden sie sich nur durch einen konstanten Faktor k so gilt für das Verhältnis der gemessenen reflektierten Lichtintensitäten die Beziehung

I _{m, 1}/I _{m, 2} = k (I _{e, 1}/I _{e, 2}) · (f₁(x)/f₂(x))

Durch eine Verhältnisbildung können somit die Übertragungsverluste eliminiert werden und aus dem Verhältnis der an einem Empfänger gemessenen Intensitäten kann auf die Weglänge x geschlossen werden. Wichtige Bedingung hierfür ist, daß der Quotient f₁(x)/f₂(x) eindeutig von x abhängt.

Die beiden Wellenlängen λ₁ und λ₂ können beispielsweise im Licht einer spektral breitbandigen Lichtquelle vorhanden sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch zwei getrennte Lichtquellen zu verwenden, deren Schwerpunktsfrequenzen voneinander unterschiedlich sind. Die Verwendung zweier Lichtquellen ermöglicht in einfacher Weise eine spektrale Dekodierung des in die Lichtleitfaser 4 eingekoppelten reflektierten Lichtes. Dazu werden die Lichtquellen zu unterschiedlichen Zeiten abwechselnd angesteuert. Dadurch ist das am Empfänger gemessene reflektierte Signal eindeutig der zum Zeitpunkt des Empfangs sendenden Lichtquelle zugeordnet und kann somit hinsichtlich seiner spektralen Zusammensetzung identifiziert werden.

Entsprechend Fig. 3 und 4 haben die von den beiden Lichtquellen emittierten Lichtintensitäten I _{e, 1} und I _{e, 2} einen pulsförmigen zeitlichen Verlauf. Beide Lichtquellen werden abwechselnd angesteuert, so daß zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils nur eine Lichtquelle sendet.

Die an einem Empfänger gemessene in die Lichtleitfaser 4 reflektierte Lichtintensität I _m hat gemäß Fig. 5 einen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf. Das zum Zeitpunkt t₁ im Empfänger gemessene Signal kann der Lichtquelle mit der Schwerpunktsfrequenz λ₁ und das zum Zeitpunkt t₂ gemessene Signal der Lichtquelle mit der Schwerpunktsfrequenz λ₂ zugeordnet werden. Damit ist auf einfache Weise eine spektrale Dekodierung des reflektierten Lichtes gegeben. Die erforderliche Pulsfrequenz richtet sich dabei nach dem gewünschten zeitlichen Auslösungsvermögen beim Messen der Weglängenänderung x.

Um Schwankungen der Sendelichtintensitäten zu eliminieren, können zusätzlich noch mittels eines Referenzempfängers die in die Lichtleitfaser jeweils von den beiden Lichtquellen eingekoppelten Lichtintensitäten I _e ermitttelt werden. Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessenen Intensität I _r am Referenzempfänger. Der Quotient aus dem am Meßempfänger gemessenen Signalverhältnis I _{m, 1}/I _{m, 2} und dem am Referenzempfänger gemessenen Signalverhältnis I _{r, 1}/I _{r, 2} ist bis auf konstante Faktoren entsprechend der Beziehung

nur noch von der Weglänge x abhängig.

Gemäß Fig. 7 sind in einer Sende- und Empfangsvorrichtung 30 eine erste und eine zweite Lichtquelle 40 bzw. 42, beispielsweise Leuchtdioden, über Selfoc- Linsen 44 an einen ersten Strahlteiler 32 angekoppelt. Der erste Strahlteiler 32 ist optisch mit einem zweiten Strahlteiler 34 verbunden der über eine weitere Selfoc- Linse 44 mit dem zweiten Ende 31 der Lichtleitfaser 4 verbunden ist. Anstelle des würfelförmigen Strahlteilers 32 kann auch ein y-förmiger Faserkoppler und anstelle des würfelförmigen Strahlteilers 34 ein x- förmiger Faserkoppler verwendet werden. Am zweiten Strahlteiler 34 ist ein Referenzempfänger 36 und ein Meßempfänger 38 angeordnet. Der Referenzempfänger 36 und der Meßempfänger 38 sind so zueinander angeordnet, daß der Meßempfänger 38 nur Licht, das aus dem zweiten Ende 31 der Lichtleitfaser 4 austritt, empfängt, während der Referenzempfänger 36 nur von den Lichtquellen 40 und 42 direkt emittiertes Licht empfängt. Der Sende- und Empfangsvorrichtung 30 ist eine elektronische Steuer- und Auswerteelektronik 50 zugeordnet, die sowohl die Lichtquellen ansteuert als auch die Zuordnung zwischen Meßsignal und Lichtquelle herstellt. Außerdem sind in der Steuer- und Auswertevorrichtung 50 Mikroprozessoren vorgesehen, in denen eine Verrechnung der Meßsignale und der Ermittlung der Weglänge x durchgeführt werden und die beispielsweise auf einer Steuerleitung 52 Signale für Regelungsvorgänge senden und empfangen.

Claims (5)

1. Faseroptisches Verfahren zur Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung mit folgenden Merkmalen:

• a) das aus einer Lichtleitfaser (4) austretende Licht, das wenigstens zwei spektral unterschiedliche Komponenten enthält, wird nach Durchlaufen der zu messenden Weglänge (x) reflektiert.
• b) die spektral unterschiedlichen Komponenten werden an unterschiedlichen spiegelnden Flächen reflektiert,
• c) die Intensitäten (I _{m, 1}, I _m,2) der zu den spektral unterschiedlichen Komponenten gehörenden, in die Lichtleitfaser reflektierten Lichtanteile werden getrennt voneinander gemessen,
• d) das Verhältnis der Intensitäten wird gebildet und daraus die Weglänge oder Weglängenänderung ermittelt.

2. Faseroptisches Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Merkmalen

• a) das Licht zweier spektral unterschiedlicher Lichtquellen (40, 42) wird im Pulsbetrieb abwechselnd in die Lichtleitfaser eingekoppelt,
• b) die Intensität (I _m ) des in die Lichtleitfaser (4) reflektierten Lichtes wird mittels eines einzigen Empfängers (38) gemessen und
• c) die spektrale Trennung der beiden Komponenten erfolgt durch zeitliche Zuordnung des Empfangssignals zur entsprechenden gleichzeitig angesteuerten Lichtquelle.

3. Faseroptisches Verfahren nach Anspruch 2, bei dem

• a) jeweils die Intensität des von den beiden Lichtquellen in die Lichtleitfaser eingekoppelten Lichtes (I _{r, 1}, I _{r, 2}) gemessen wird und
• b) der Quotient aus dem Verhältnis der zu den beiden Lichtquellen (40, 42) gehörenden, in die Lichtleitfaser (4) reflektierten Intensitäten und dem Verhältnis der entsprechenden Intensitäten des gesendeten Lichtes zur Ermittlung der Weglänge herangezogen wird.

4. Faseroptische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgenden Merkmalen:

• a) eine Lichtleitfaser (4) ist mit ihrem zweiten Ende (31) mit zwei Lichtquellen (40, 42) optisch verbunden, die Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung emittieren,
• b) gegenüber dem ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (4) ist eine Spiegelanordnung verschiebbar angeordnet,
• d) die Spiegelanordnung enthält
  • d₁) ein optisches Filter (6), dessen Transmissionseigenschaft für die spektral unterschiedlichen Lichtanteile verschieden ist und
  • d₂) einen in Ausbreitungsrichtung des austretenden Lichtes dahinter angeordneten konkaven Spiegel (10) und es sind
• e) Mittel zur getrennten Messung der Intensitäten der zu den Lichtquellen gehörenden, in die Lichtleitfaser reflektierten Lichtanteile und zur Auswertung der Meßsignale vorgesehen.

5. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 4 mit

• a) einem ebenen Kantenfilter, das
• b) auf der Flachseite einer plankonvexen Linse angeordnet ist, deren
• c) gekrümmte Fläche verspiegelt ist.