DE3709253A1 - Fabry-perot-sensor - Google Patents

Fabry-perot-sensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Fabry-Perot-Sensor mit einer Quelle für monochromatisches Licht, die mit einer Einheit aus zwei einen Fabry-Perot-Resonanzraum bil­ denden Spiegeln zusammenwirkt, von denen wenigstens einer im Bezug auf das Gehäuseteil des Sensors fest­ stehend angeordnet ist, und mit einem Detektor für das vom Resonanzraum zwischen den beiden Spiegeln abge­ strahlte Licht, dessen Intensität von der optischen Länge zwischen den beiden Spiegeln abhängt.
Ein derartiger Sensor ist aus der DE-OS 18 07 876 bekannt und dient als Vorrichtung zum Anzeigen von geringfügigen Lageänderungen. Bei der bekannten An­ ordnung ist der Resonanzraum radial durch einen Zylin­ der und axial durch zwei an den Enden des Zylinders angeordnete semitransparente Spiegel begrenzt. Einer der beiden Spiegel ist auf einer elastischen Membran derart montiert, daß er parallel zu seiner Ruhelage verstellbar ist und dadurch mit den anzuzeigenden Lageänderungen beaufschlagt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fab­ ry-Perot-Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch einen miniaturisierten Aufbau sowie durch eine hohe Dynamik auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spiegel auf den Stirnflächen zweier in Ferrules eingespannter monomodiger Lichtleitfasern ausgebildet sind.
Je nach dem Einsatzgebiet des Sensors erfolgt eine Veränderung der optischen Länge des Resonators durch Einleiten von Gasen unterschiedlicher Brechzahl in den Resonatorraum oder durch Verändern des Abstandes zwi­ schen den Ferrules. Bei einem zweckmäßigen Ausführungs­ beispiel ist eines der Ferrule in einer Steckerkupplung präzise geführt, so daß von außen auf das bewegliche Ferrule einwirkende Kräfte eine Veränderung der geo­ metrischen Länge des Resonatorraumes bewirken.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen näher erörtert. Es zeigen:
Fig. 1 den Fabry-Perot-Sensor gemäß der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
Fig. 2 das Sensorsignal in Abhängigkeit von der optischen Länge des Resonatorraumes,
Fig. 3 ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausfüh­ rungsbeispiel, bei dem der Sensor nicht in Transmission sondern in Reflexion eingesetzt ist,
Fig. 4 den Aufbau eines Kraftsensors und/oder Be­ schleunigungssensors im Längsschnitt,
Fig. 5 den Aufbau eines Wegsensors im Längsschnitt,
Fig. 6 den Aufbau eines Gasdrucksensors im Längs­ schnitt,
Fig. 7 den Aufbau eines Gasdruck/Flüssigkeitsdruck­ sensors mit gegeneinander verschiebbaren Ferrulen,
Fig. 8 einen Drucksensor für Gase und Flüssigkeiten im Längsschnitt,
Fig. 9 einen Sensor zur Erfassung des Differenz­ druckes zwischen zwei Medien und
Fig. 10 den Aufbau eines Drehwinkelsensors im Längs­ schnitt.
In Fig. 1 erkennt man einen Fabry-Perot Sensor, der nachfolgend kurz mit Sensor 1 bezeichnet wird zusammen mit den zu seinem Einsatz erforderlichen übrigen Kompo­ nenten. Der Sensor 1 wird mit Hilfe eines Halbleiter­ lasers 2 mit monochromatischem Licht beaufschlagt, das nach dem Austritt aus dem Halbleiterlaser 2 mit Hilfe einer Kollimatorlinse 3 kollimiert wird. Das die Kolli­ matorlinse 3 verlassende Lichtbündel 11 tritt durch einen als optischen Isolator wirksamen Zirkularpolari­ sator 4 aus einem Polarisator 5 und einer zugeordneten λ/4-Verzögerungsplatte 6 hindurch, bevor das zirkular polarisierte Licht mit Hilfe einer Sammellinse 7 in den Kern einer monomodigen Versorgungslichtleitfaser 8 eingespeist wird.
Die Versorgungslichtleitfaser 8 ist an ihrem zum Halb­ leiterlaser 2 weisenden Ende mit einem eingangsseitigen Ferrule 9 versehen, das zur Positionierung in einem Halter 10 fluchtend zur Längsachse des Lichtbündels 11 und der Sammellinse 7 angeordnet ist.
Das in das eingangsseitige Ferrule 9 eingespeiste Licht gelangt durch die monomodige Versorgungslichtleitfaser 8 an den Ort des Sensors 1, der in einem Gehäuseteil 12 ein erstes gegenüber dem Gehäuseteil 12 feststehendes Ferrule 13, das an dem dem eingangsseitigen Ferrule 9 gegenüberliegenden Ende der Versorgungslichtleitfaser 8 angeordnet ist, und ein zweites in dem Gehäuseteil 12 bewegliches Ferrule 14 aufweist. Das Gehäuseteil 12 besteht beispielsweise aus einer Lichtwellenleiter­ stecker-Kupplung und verfügt über eine solche Länge, daß im Innern des Gehäuseteils 12 ein Hohlraum 15 verbleibt, der mit einem Gas, beispielsweise Luft, gefüllt ist.
Um die Bewegung des beweglichen Ferrules 14 nicht durch eine Kompression des Gases im Hohlraum 15 zu behindern, ist der Hohlraum 15 mit einem Entlüftungskanal ver­ sehen, der beispielsweise dadurch realisiert wird, daß ein Ferrule 13, 14 mit angeschliffener Facette verwen­ det wird, um einen Druckausgleich zwischen dem Hohlraum 15 und der Umgebung zu gestatten, wenn das bewegliche Ferrule 14 in Richtung des Doppelpfeils 16 im Gehäuse­ teil 12 verschoben wird, wobei der durch die Pfeile 17 markierte Abstand zwischen den Stirnflächen der Fer­ rules 13 und 14 verändert wird. Die Aufnahmeöffnungen im Gehäuseteil 12, das eine Steckerkupplung sein kann, sowie die beiden Ferrules 13, 14 sind als Passung gearbeitet.
Das bewegliche Ferrule 14 umgibt das sensorseitige Ende einer monomodigen Signallichtleitfaser 18, über die durch den Sensor 1 transmittiertes Licht zu einem detektorseitigen Ferrule 19 gelangt, das mit einem Lichtdetektor 20 gekoppelt ist, dessen Ausgangssignal 21 einer Auswerteschaltung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, zugeführt wird.
Die Stirnflächen des feststehenden Ferrules 13 und des beweglichen Ferrules 14 sowie die zugeordneten Stirn­ flächen der Versorgungslichtleitfaser 8 und der Signal­ lichtleitfaser 18 sind rechtwinklig zur Längsachse der Ferrules 13, 14 plan oder leicht konkav poliert und mit teildurchlässigen metallischen oder dielektrischen Spiegeln 22, 23 versehen.
Die Spiegel 22, 23, die sich parallel ausgerichtet in dem durch die Pfeile 17 veranschaulichten Abstand parallel gegenüberstehen, bilden ein Fabry-Perot-Inter­ ferometer, das einen Durchmesser aufweist, der ver­ gleichbar mit einem faseroptischen Fabry-Perot-Inter­ ferometer ist. Im Gegensatz zu einem solchen befindet sich jedoch zwischen den Spiegeln 22, 23 des Interfero­ meters kein festes Medium wie Quarzglas, sondern bei­ spielsweise Luft. Die präzise Ausrichtung der Spiegel 22, 23 zueinander wird durch eine genaue Führung der Ferrules 13, 14 auch dann beibehalten, wenn sich der Abstand zwischen diesen beim Verschieben des beweg­ lichen Ferrules 14 verändert.
In Fig. 2 ist das Transmissionssignal am Detektor 20 in Abhängigkeit von dem entlang der Abzisse aufgetra­ genen Abstand zwischen den Spiegeln 22, 23 dargestellt. Wie man in Fig. 2 erkennt, schwankt die Lichtintensi­ tät am Interferometerausgang bei Abstandveränderungen und man erhält eine Vielzahl von Transmissionsmaxima, deren Ordnung m mit dem Abstand der Spiegel 22, 23 und in Abhängigkeit von der Brechzahl des Mediums zwischen den Spiegeln 22, 23 und der Wellenlänge des in den durch die Spiegel 22, 23 gebildeten Resonators einge­ koppelten Lichtes in der bei Fabry-Perot-Interfero­ metern bekannten Weise variiert. Wenn der Abstand zwischen den Spiegeln 22, 23 konstant gehalten wird, kann durch Verändern des Brechungsindexes n im Hohlraum 15 ein der Fig. 2 entsprechender Intensitätsverlauf mit Transmissionsmaxima erhalten werden und mit Hilfe der vom Ausgangssignal 21 gespeisten Auswertevorrich­ tung eine Brechzahlbestimmung durchgeführt werden. Die optische Länge des Resonators zwischen den Spiegeln 22, 23 kann somit gezielt durch Änderung der Brechzahl oder des Spiegelabstandes entkoppelt voneinander variiert werden.
Die Auswertung des Ausgangssignals 21 geschieht in der in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinheit durch Abzählen der Transmissionsmaxima oder mit Hilfe von bereits bekannten Modulations- bzw. Interpolations­ auswerteverfahren.
Die in Fig. 1 dargestellte Sensoranordnung arbeitet in Transmission. Es ist jedoch auch möglich, den Sensor 1 in Reflexion zu benutzen, wobei der Spiegel 23 auf dem Faserende im Ferrule 14 dann nicht mehr teildurchlässig zu sein braucht, sondern eine hohe Reflektivität be­ sitzen kann. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 3 veranschaulicht und zeigt, wie das durch die Versor­ gungslichtleitfaser 8 vom in Reflexion betriebenen Sensor 1 zu einem Strahlteilerwürfel 24 zurückgeleitet wird, der das reflektierte Licht zum Detektor 20 um­ lenkt. Wie man in Fig. 3 erkennen kann, befindet sich der Strahlteilerwürfel 24 im Strahlengang zwischen dem Zirkularpolarisator 4 und der Sammellinse 7.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele für den gemäß dem Fabry-Perot-Prinzip arbeitenden Sensor näher beschrieben.
Der in Fig. 4 dargestellte Sensor verfügt über ein Gehäuseteil 12, das als Steckerkupplung ausgebildet ist, die gleichzeitig als Durchführung durch eine Trennwand 30 eingesetzt ist. Das feststehende Ferrule 13 mit dem teildurchlässigen Spiegel 22 ist mit Hilfe einer Überwurfmutter 31 und einem Haltering 32 mit dem als Steckerkupplung ausgebildeten Gehäuseteil 12 fest verschraubt, was in Fig. 4 durch die dort gezeichneten Innen- und Außengewinde veranschaulicht ist.
Das bewegliche Ferrule 14 mit dem ebenfalls teildurch­ lässigen Spiegel 23 ist in einem Zylinder 33 befestigt, der in einer mit dem Gehäuseteil 12 verschraubten Führungsbuchse 34 entgegen der Kraft einer Feder 35 verschiebbar ist, die sich mit ihrem einen Ende an der zum Zylinder 33 weisenden Stirnseite 36 des Gehäuse­ teils 12 und mit ihrem zweiten Ende an der zum Gehäuse­ teil 12 weisenden Stirnseite 37 des Zylinders 33 ab­ stützt.
Der Abstand zwischen den Spiegeln 22, 23 ist somit eine Funktion der auf den Zylinder 33 in Richtung des Pfei­ les 38 einwirkenden Kraft. Wenn der Hohlraum 15 mit einem Gas, beispielsweise Luft gefüllt ist, kann durch Analysieren der Umlaufphase des in Fig. 2 dargestellten Resonatorsignals unabhängig von Intensitätsschwankungen des den Sensor speisenden Lichtes der in Fig. 4 darge­ stellte Sensor als Kraftsensor oder als Beschleuni­ gungssensor verwendet werden, wobei die einwirkende Kraft bzw. die Trägheitskräfte in Richtung des Pfeiles 38 einwirken. Es ist ebenfalls möglich, mit Hilfe des in Fig. 4 dargestellten Sensors Vibrationen in Richtung des Pfeiles 38 zu erfassen. Wenn die Feder 35 so be­ festigt ist, daß sie nicht nur auf Druck, sondern auch auf Zug beansprucht werden kann, können Kräfte, Be­ schleunigungen und Vibrationen nicht nur in Richtung des Pfeiles 38, sondern auch in der entgegengesetzten Richtung erfaßt werden. Beim Erfassen von Vibrationen und Beschleunigungen ist es zweckmäßig, die Masse des Zylinders 33 in Abhängigkeit von den auftretenden Beschleunigungskräften entsprechend groß zu wählen.
Das Sensorsignal des in Fig. 4 dargestellten Sensors kann entweder über die Signallichtleitfaser 18 bei einem Betrieb in Transmission oder über die Versor­ gungslichtleitfaser 8 entsprechend Fig. 3 bei einem Betrieb in Reflexion ausgekoppelt werden.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Abwandlung des Sensors 1 als Wegsensor. Wie bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das feststehende Ferrule 13 mit Hilfe einer Überwurfmutter 31 in einem als Kupplungsstück ausgebildeten Gehäuse­ teil 12 befestigt. Das bewegliche Ferrule 14 ist in Richtung des Doppelpfeils 40 mit geringem Kraftaufwand verschiebbar, wodurch der durch die Pfeile 17 veran­ schaulichte Abstand zwischen den Spiegeln 22, 23 direkt von der Längsbewegung in Richtung des Doppelpfeils 40 abhängig ist. Das Medium zwischen den Spiegeln 22, 23 im Hohlraum 15 ist wiederum Luft, jedoch kann es auch ein anderes Gas sein.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Abwandlung des Sensors 1 als Drucksensor. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Aus­ führungsbeispiel sind die Ferrules 13, 14 in dem als Kupplungsstück dienenden Gehäuseteil 12 in dem durch die Pfeile 17 veranschaulichten festen Abstand dichtend fixiert. Der Hohlraum 15 ist über einen Kanal 50 mit einem Einlaßstutzen 51 verbunden, über den von außen ein unter Druck stehendes Gas mit einer Brechzahl n in den Hohlraum 15 eingeleitet wird. Bei einer Änderung des Gasdruckes ergibt sich eine Änderung der Brechzahl n und damit eine Änderung des in Fig. 2 veranschau­ lichten Transmissionssignals.
Wenn der in Fig. 6 dargestellte Sensor mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Auslaßstutzen versehen wird, kann das in den Hohlraum 15 einströmende Medium, d.h. ein Gas oder eine Flüssigkeit, diesen wieder ver­ lassen, wobei die Brechzahl n des durch den Hohlraum 15 strömenden Mediums überwacht werden kann. Da sich Gase und Flüssigkeiten in ihrer Brechzahl n voneinander unterscheiden, ist das Transmissionssignal vom im Hohlraum 15 befindlichen Medium abhängig.
Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 6 dadurch, daß die beiden Ferrules 13, 14 in einem Rahmen 60 geführt sind und in einem durch die Pfeile 17 veranschaulichten Abstand zueinander in eine Druckdose 61 hineinragen, mit der sie druckdicht verbunden sind. Die Spiegel 22, 23 stehen sich aufgrund von Führungsbuchsen 62 im Rahmen 60 parallel und rotationssymmetrisch gegenüber. Die Druckdose 61 ist mit einem Einlaßstutzen 51 ver­ bunden. Durch eine Veränderung des Gasdruckes innerhalb der Druckdose 61 ergibt sich eine Veränderung des Abstandes der Spiegel 22, 23 und damit eine Veränderung der optischen Länge des Resonators infolge einer Ab­ standsänderung und einer Brechzahländerung.
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung des Sensors 1 zur Messung des Druckes eines in Richtung des Pfeiles 65 einge­ leiteten Gases oder einer Flüssigkeit. In der bereits oben im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 erwähnten Weise ist das feststehende Ferrule 13 mit Hilfe einer Überwurfmutter 31 und einem Haltering 32 fest mit dem Gehäuseteil 12, das zur einfachen Montage des Sensors mit einem Außengewinde 66 versehen ist, verbunden. Das bewegliche Ferrule 14 ist als Kolben ausgebildet, der im Gehäuseteil 12 entgegen der Kraft einer Feder 67 beweglich ist. Die mit den Spiegeln 22, 23 versehenen Enden der Ferrules 13, 14 ragen in den die Feder 67 aufnehmenden Hohlraum 15 hinein, der gegen die bei der Druckerfassung verwendete Flüssigkeit oder das ver­ wendete Gas abgedichtet ist. Wenn über den Einlaß­ stutzen das unter Druck stehende Medium den Sensor beaufschlagt, erfolgt eine Veränderung des durch die Pfeile 17 veranschaulichten Abstandes der Spiegel 22, 23, wodurch das Interferenzsignal des in Reflexion arbeitenden Sensors verringert, bzw. erhöht wird.
Fig. 9 zeigt eine Abwandlung des Drucksensors gemäß Fig. 8, bei dem ein Differenzmeßverfahren zum Einsatz kommt. Der Hohlraum 15 zwischen den Spiegeln 22, 23 ist allseitig abgedichtet und über den Kanal 50 mit einem Einlaßstutzen 52 in Verbindung. In den Hohlraum 15 kann über den Einlaßstutzen 52 ein unter Druck stehendes Gas mit einem ersten Druck P 1 und der Brechzahl n einge­ lassen werden. Über dem Einlaßstutzen 51 kann z.B. ein Kompressionsdruck P 2 einer Flüssigkeit auf das als beweglicher Kolben ausgebildete Ferrule 14 einwirken. Eine Änderung des Druckes P 1 bzw. P 2 wirkt sich über das als Kolben ausgebildete bewegliche Ferrule 14 auf den Abstand zwischen den Spiegeln 22, 23 und somit auf die Ordnung m der Interferenzmaxima aus.
Das anhand der Fig. 1 bis 9 oben erörterte Sensor­ prinzip läßt sich auch anwenden, um einen Drehwinkel­ sensor oder Drehpositionssensor bzw. einen Drehzahl­ sensor zu schaffen. Fig. 10 zeigt ein solches Aus­ führungsbeispiel für einen in Reflexion arbeitenden Sensor. Das feststehende Ferrule 13 ist wiederum in der oben bereits erwähnten Weise an einem Gehäuseteil 12 mit Hilfe einer Überwurfmutter 31 fixiert. Das beweg­ liche Ferrule 14 ist in einem in Richtung des Pfeils 70 drehbaren Schaft 71 untergebracht, der durch ein Ver­ schlußstück 72 in den Sensor hineinragt. Im Innern des Verschlußstückes 72 ist eine Anordnung vorgesehen, die es gestattet, die Drehung des Schaftes 71 in eine Abstandsveränderung zwischen den Spiegeln 22, 23 um­ zusetzen.
Wie man in Fig. 10 erkennt, ist die in Fig. 10 nach rechts weisende Stirnseite des Gehäuseteils 12 als schiefe Ebene 73 ausgebildet. Auf dem Schaft 71 ist ein Anschlagflansch 74 vorgesehen, der mit Hilfe einer Feder 75, die mit ihrem anderen Ende gegen das Ver­ schlußstück 72 abgestützt ist, in Richtung auf die schiefe Ebene 73 gedrückt wird. Im Anschlagflansch 74 ist eine Vertiefung für eine Kugel 76 vorgesehen, die bei einer Drehung des Schaftes 71 auf der schiefen Ebene abrollt, so daß bei einer Drehung des Schaftes 71 eine Längsverschiebung des Schaftes 71 und damit des an seinem vorderen Ende vorgesehenen Ferrules 14 erfolgt.
Aufgrund dieser Bewegung ändert sich der Abstand der sich parallel und rotationssymmetrisch gegenüberstehen­ den Spiegel 22, 23 und damit die Umlaufphase des Reso­ nators, die wiederum in Reflexion in der bereits oben erörterten Weise erfassbar ist.
Der Sensor gemäß Fig. 10 kann je nach Auslegung zur Drehzahlbestimmung oder zur Messung eines Drehwinkels eingesetzt werden.

Claims (10)

1. Fabry-Perot-Sensor mit einer Quelle für monochro­ matisches Licht, die mit einer Einheit aus zwei einen Fabry-Perot-Resonanzraum bildenden Spiegeln zusammenwirkt, von denen wenigstens einer im Bezug auf das Gehäuseteil des Sensors beweglich ange­ ordnet ist, und mit einem Detektor für das vom Resonanzraum zwischen den beiden Spiegeln abge­ strahlte Licht, dessen Intensität von der opti­ schen Länge zwischen den beiden Spiegeln abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spie­ gel (22, 23) auf den Stirnflächen zweier in Ferrules (13, 14) eingespannter monomodiger Licht­ leitfasern (8, 18) ausgebildet sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vom Resonator (22, 23) transmittierte Licht über eine mit dem zweiten Ferrule (14) verbundene Signalleitfaser (18) zum Detektor (20) ausgekoppelt ist.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vom Resonator (22, 23) reflektierte Licht über einen im Strahlengang (11) zwischen der Lichtquelle (2) und Versorgungslicht­ leitfaser (8) angeordneten Strahlteiler (24) zum Detektor (20) ausgekoppelt ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (15) zwischen den Spiegeln (22, 23) über einen Einlaßstutzen (51, 52) mit einem gasförmigen Medium beaufschlagbar ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum (15) mit einem Entlüftungskanal versehen ist.
6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ferrule (14) im Gehäuseteil (12) des Sensors axial verschiebbar ist.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Ferrule (14) mit einem aus dem Sensorgehäuse herausragenden Zylin­ der (33) verbunden ist, der in einer Führungs­ buchse (34) verschiebbar ist.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder (33) unter der Krafteinwirkung einer Feder (35) steht.
9. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Ferrule (14) mit einem aus dem Sensorgehäuse herausragenden Schaft (71) verbunden ist, dem eine Mechanik zugeordnet ist, durch die eine Rotation des Schaftes (71) in eine Translation umsetzbar ist.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Schaft (71) ein durch eine Feder (75) vorgespannter Anschlagflansch (74) zugeordnet ist, der über eine mitlaufende Kugel (76) gegen eine an dem Gehäuseteil (12) des Sen­ sors ausgebildete schiefe Ebene (73) angedrückt ist.
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