DE3709253C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einer Laserlichtquelle, die über eine monomodige erste Licht­ leitfaser und einen teildurchlässigen ersten Spiegel mit einem in einem zylindrischen Hohlraum eines Ge­ häuseteils ausgebildeten Resonator, der einen Fabry- Perot-Resonatorraum aufweist, gekoppelt ist, wobei der erste Spiegel an dem dem Fabry-Perot-Resonatorraum zugewandten ersten Ende der ersten Lichtleitfaser angeordnet ist, mit einem zweiten Spiegel, der sich parallel zum ersten Spiegel erstreckt, dessen Abstand vom ersten Spiegel unter Einwirken einer Federkraft und einer äußeren Kraft variabel ist und der gemeinsam mit dem ersten Spiegel den Fabry-Perot-Resonatorraum in Lichtausbreitungsrichtung begrenzt, mit einer Druck­ ausgleichsöffnung für den Hohlraum sowie mit einem dem Fabry-Perot-Resonatorraum optisch nachgeordneten Detektor.

Ein derartiger optischer Sensor ist aus dem JP-Abstract 57-1 90 214 (A) bekannt und verfügt als bewegbaren zwei­ ten Spiegel über eine dünne Platte, die mit ihrem Rand fest im Gehäuse des optischen Sensors eingespannt ist, so daß sie sich bei einer Druckbeaufschlagung verformt. Je nachdem, ob es sich um einen Überdruck oder Unter­ druck handelt, ergibt sich infolge der Deformation eine Wölbung nach innen oder nach außen, die die im Ruhe­ zustand vorhandene planparallele Ausrichtung der beiden Spiegel des Resonatorraums stört. Aufgrund der unter­ schiedlichen Wölbungen ergeben sich unterschiedliche Reflexionswinkel und unterschiedliche Strahlengänge für einen Teil des Lichtes und somit eine Verschlechterung der Resonatorgüte des optischen Resonators. Dies führt einerseits zu Lichtverlusten und andererseits zu einer Verringerung der Auflösung.

In der DE 35 06 844 C2 ist ein optischer Sensor be­ schrieben, dessen Resonatorraum aus einem U-förmig gekrümmten Lichtwellenleiterabschnitt besteht. Die verspiegelten Enden des U-förmigen Resonatorraumes sind im Sensorkörper des bekannten optischen Sensors orts­ fest angeordnet. Zur Kopplung des Sensors mit zwei Lichtleitfasern sind optische Stecker vorgesehen, die ortsfest in bezug auf das Gehäuseteil des Sensors angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen opti­ schen Sensor zu schaffen, der bei einfacher Herstell­ barkeit und Anwendbarkeit einen Betrieb mit einer hohen Empfindlichkeit und einem guten Signal/Rausch-Verhält­ nis gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Spiegel sich außer über das erste Ende der ersten Lichtleitfaser auch über die Stirnseite eines das erste Ende der ersten Lichtleitfaser ab­ schließenden ersten Ferrules erstreckt, daß der zweite Spiegel auf der Stirnseite eines im Hohl­ raum des Gehäuseteils entgegen der Kraft der Feder in Längsrichtung axial verschiebbaren zweiten Ferrules ausgebildet ist, und daß die Druckausgleichsöffnung durch eine angeschliffene Facette eines der Ferrules gebildet ist.

Dadurch, daß der Spiegel sich nicht nur über die Stirn­ seite der Monomodefaser, sondern auch über die Stirn­ seite des Ferrules erstreckt, ergibt sich eine große, sich nicht verformende Spiegelfläche und damit eine hohe optische Güte. Das Handhaben von Ferrules sowie deren Einbringen in den zylindrischen Hohlraum eines Gehäuseteils ist besonders einfach und gestattet es, den Hohlraum als einfachen zylindrischen Kanal auszu­ bilden, in den die Ferrules eingeschoben werden können. Der zweite Spiegel befindet sich an der Stirnseite eines entlang seines Körpers im Gehäuseteil geführten Ferrules, wodurch sich eine gleichmäßig hohe Paralleli­ tät zwischen den beiden Spiegeln und somit eine hohe Resonatorgüte verwirklichen läßt. Dabei ist es vorteil­ haft, daß infolge der hohen Resonatorgüte eine Laser­ lichtquelle mit einer festen Wellenlänge eingesetzt werden kann, um auf einfache Weise Amplitudenverände­ rungen auszuwerten.

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 optischen 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 Gasdruck/Flüssigkeitsdruck­ sensors mit gegeneinander verschiebbaren Ferrulen und

Fig. 6 den Aufbau eines Drehwinkelsensors im Längs­ schnitt.

In Fig. 1 erkennt man einen optischen oder Fabry-Perot- Sensor, der nachfolgend kurz mit Sensor 1 bezeichnet wird zusammen mit den zu seinem Einsatz erforderlichen übrigen Komponenten. Der Sensor 1 wird mit Hilfe eines Halbleiterlasers 2 mit monochromatischem Licht beauf­ schlagt, das nach dem Austritt aus dem Halbleiterlaser 2 mit Hilfe einer Kollimatorlinse 3 kollimiert wird. Das die Kollimatorlinse 3 verlassende Lichtbündel 11 tritt durch einen als optischen Isolator wirksamen Zirkularpolarisator 4 aus einem Polarisator 5 und einer zugeordneten g/4-Verzögerungsplatte 6 hindurch, bevor das zirkular polarisierte Licht mit Hilfe einer Sammel­ linse 7 in den Kern einer monomodigen Versorgungslicht­ leitfaser 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 dadurch realisiert wird, daß ein Ferrule 13, 14 mit angeschliffener Facette verwendet wird, um einen Druckausgleich zwischen dem Hohlraum 15 und der Um­ gebung zu gestatten, wenn das bewegliche Ferrule 14 in Richtung des Doppelpfeils 16 im Gehäuseteil 12 ver­ schoben wird, wobei der durch die Pfeile 17 markierte Abstand zwischen den Stirnflächen der Ferrules 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 1 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.

Die Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des Sensors 1 als Drucksensor.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 4 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, die als Feder wirkt und mit der sie druckdicht verbun­ den sind. Die Spiegel 22, 23 stehen sich aufgrund von Führungsbuchsen 62 im Rahmen 60 parallel und rotations­ symmetrisch gegenüber. Die Druckdose 61 ist mit einem Einlaßstutzen 51 verbunden. 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 Abstandsänderung und einer Brechzahl­ änderung.

Das anhand der Fig. 1 bis 5 oben erörterte Sensor­ prinzip läßt sich auch anwenden, um einen Drehwinkel­ sensor oder Drehpositionssensor bzw. einen Drehzahl­ sensor zu schaffen. Fig. 6 zeigt ein solches Ausfüh­ rungsbeispiel 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. 6 erkennt, ist die in Fig. 6 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. 6 kann je nach Auslegung zur Drehzahlbestimmung oder zur Messung eines Drehwinkels eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Optischer Sensor mit einer Laserlichtquelle, die über eine monomodige erste Lichtleitfaser und einen teildurchlässigen ersten Spiegel mit einem in einem zylindrischen Hohlraum eines Gehäuseteils ausgebildeten Resonator, der einen Fabry-Perot- Resonatorraum aufweist, gekoppelt ist, wobei der erste Spiegel an dem dem Fabry-Perot-Resonatorraum zugewandten ersten Ende der ersten Lichtleitfaser angeordnet ist, mit einem zweiten Spiegel, der sich parallel zum ersten Spiegel erstreckt, dessen Abstand vom ersten Spiegel unter Einwirken einer Federkraft und einer äußeren Kraft variabel ist und der gemeinsam mit dem ersten Spiegel den Fabry-Perot-Resonatorraum in Lichtausbreitungs­ richtung begrenzt, mit einer Druckausgleichs­ öffnung für den Hohlraum sowie mit einem dem Fabry-Perot-Resonatorraum optisch nachgeordneten Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (22) sich außer über das erste Ende der ersten Lichtleitfaser (8) auch über die Stirnseite eines das erste Ende der ersten Lichtleitfaser (8) abschließenden ersten Ferrules (13) erstreckt, daß der zweite Spiegel (23) auf der Stirnseite eines im Hohlraum (15) des Gehäuseteils (12) entgegen der Kraft der Feder (35) in Längsrichtung axial ver­ schiebbaren zweiten Ferrules (14) ausgebildet ist, und daß die Druckausgleichsöffnung durch eine angeschliffene Facette eines der Ferrules (13, 14) gebildet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vom Resonator (22, 23) transmittierte Licht über eine mit dem zweiten Ferrule (14) verbundene zweite Lichtleitfaser in Form einer 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 Laserlichtquelle (2) und der ersten Lichtleitfaser (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) mit einem gasförmigen Medium beaufschlagbar ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Ferrule (14) mit einem aus dem Gehäuseteil herausragenden Zylinder (33) verbunden ist, der in einer Führungsbuchse (34) verschiebbar ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder (33) unter der Krafteinwirkung der Feder (35) steht.

7. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Ferrule (14) mit einem aus dem Gehäuseteil herausragenden Schaft (71) verbunden ist, dem eine Mechanik zugeordnet ist, durch die eine Rotation des Schaftes (71) in eine Translation umsetzbar ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Schaft (71) ein durch die 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.