DE3808235A1 - Mit lichtleitfasern arbeitende fuehleranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Lichtleitfasern ar­ beitende Fühleranordnung zum Überwachen und/oder Messen von Temperaturen oder Drücken, die längs einer vorbestimmten Strecke verteilt sind.

In einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 86 09 733 (F20 135), auf die hier Bezug genommen wird, ist eine mit Lichtleitfasern arbeitende Fühleranordnung beschrieben, die aus einem optischen Interferometer besteht, das parallel zu­ einander verlaufende optische Meß- und Referenzstrecken auf­ weist. Die Meßstrecke enthält eine Lichtleitfaser, die sich über die Strecke erstreckt, längs der die verteilten Tempera­ turen oder Drücke zu messen sind. Mittel zum Erzeugen einer kontinuierlichen Lichtwelle erzeugen kohärentes, von einer kontinuierlichen Welle gebildetes Licht, das sich in einer Richtung längs der Meß- und Referenzstrecken des Interfero­ meters ausbreitet. Es sind Impulslicht-Erzeugungsmittel vor­ gesehen, die Lichtimpulse erzeugen, die sich längs der Meß­ strecke nur in einer Richtung ausbreiten, die der Ausbrei­ tungsrichtung der kontinuierlichen Lichtwelle entgegenge­ setzt ist, damit vorübergehende Variationen der Ausbreitungs­ konstanten (oder des Phasenänderungskoeffizienten) der Licht­ leitfaser an Punkten ihrer Längsausdehnung entsprechend der Temperatur oder dem Druck an diesen Punkten erzeugt werden. Ferner sind Detektormittel enthalten, die das resultierende Ausgangssignal des Interferometers erfassen, das sich seit­ lich in Abhängigkeit von der Temperatur oder dem Druck an den verteilten Punkten längs der von der Lichtleitfaser ge­ bildeten Meßstrecke ändert.

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Fühleranordnung in einer Ausführung, die allgemein der den Gegenstand der oben erwähnten Patentanmeldung bildenden Ausführung gleicht, jedoch weist sie eine verbesserte Stabilität auf und ist von sich aus mit potentiell besseren Phasen/Rausch-Eigenschaften ausgeglichen.

Nach der Erfindung ist eine mit Lichtleitfasern arbeitende Fühleranordnung zum Überwachen und/oder Messen von Tempera­ turen oder Drücken, die über eine vorbestimmte Strecke ver­ teilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke eine Lichtleitfaser umfaßt, die eine Fühlerschleife bildet, daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe an die Fühlerschleife eine kontinuierliche Lichtwelle angelegt wird, so daß sich das Licht gleichzeitig in entgegengesetz­ ten Richtungen in der Schleife ausbreitet, wobei das resul­ tierende Ausgangslicht aus der Schleife mit Hilfe von Detek­ tormitteln erfaßt wird, daß Impulsgeneratormittel vorgesehen sind, die kurze Lichtimpulse erzeugen, die sich nur in einer Richtung in der Fühlerschleife ausbreiten, so daß dadurch vorübergehende Variationen der Ausbreitungskonstanten (oder der Phasenänderungskoeffizienten) längs der Lichtleitfaser­ schleife in Abhängigkeit von der verteilten Temperatur oder dem verteilten Druck längs der Schleife erzeugt werden, und daß die Detektormittel die Phasenänderungen erfassen, die in der von der Fühlerschleife empfangenen kontinuierlichen Lichtwelle aufgrund von Temperatur- oder Druckänderungen längs der Schleife auftreten.

Ein Ausführungsbeispield der Erfindung wird nun unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer mit Lichtleitfa­ sern arbeitenden Fühleranordnung nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm, das die Phasenänderungen in dem am Detektor erfaßten Licht unter Ruhebedingungen und bei variablen Temperatur- oder Druckbedingungen längs der Fühlerschleife veranschaulicht.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine optische Fühleranordnung dargestellt, die ein Sagnac-Interferometer bildet, das eine von einer Lichtleitfaser gebildete Fühlerschleife 1 enthält, der eine kontinuierliche Lichtwelle aus einer geeigneten Lichtquelle 2 (beispielsweise einem Lager, einer lichtemit­ tierenden Diode oder einer Glühlampe) über einen Richtkopp­ ler 3 zugeführt wird. Der Richtkoppler 3 ermöglicht es glei­ chen Komponenten der kontinuierlichen Lichtwelle, sich gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen längs der Füh­ lerschleife 1 auszubreiten, wobei ein Anteil des zum Richt­ koppler 3 zurückkehrenden Lichts dem Detektor 4 zugeführt wird, bei dem eine kohärente Interferenz zwischen den Licht­ komponenten in Form einer erfaßten Signalamplitude erfaßt wird, die ihrerseits von der relativen Phase jeder der Kom­ ponenten der kontinuierlichen Welle abhängt, die vom Detek­ tor 4 empfangen werden.

Bei Fehlen einer physikalischen Störung längs der Fühler­ schleife 1, die beispielsweise auf Änderungen der Temperatur oder des Drucks an Punkten längs der Schleife zurückzuführen ist, sind die Streckenlängen für gleiche, sich längs der Schleife in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Kom­ ponenten effektiv gleich, so daß keine Änderungen der rela­ tiven Phase der Komponenten auftreten, was bedeutet, daß die Komponenten gleichphasig zueinander sind. Die erfindungsge­ mäße Fühleranordnung enthält jedoch eine impulsförmig arbei­ tende Laserquelle 5, die so angeordnet ist, daß sie einen oder mehrere kurze intensive Lichtimpulse erzeugt, die über einen optischen Richtkoppler 6 in die Fühlerschleife einge­ speist werden. Dieser intensive Impuls oder diese mehreren intensiven Impulse breiten sich längs der Fühlerschleife bei Betrachtung von Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn aus und stören das Gleichgewicht der Fühlerschleife, so daß Änderun­ gen der Ausbreitungskonstanten (oder des Phasenkoeffizien­ ten) der die Fühlerschleife bildenden Lichtleitfaser an ih­ rer Längsausdehnung verteilten Punkten in Abhängigkeit von den an diesen Punkten herrschenden Temperaturen oder Drücken verursacht werden. In der Fühlerschleife tritt daher ein zeitlich veränderliches Ungleichgewicht auf, das sowohl von der Intensität des oder der Impulse als auch von der Tempe­ ratur an der Lichtleitfaser oder von dem auf die Lichtleit­ faser ausgeübten Druck in dem Bereich der Schleife abhängt, den die sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Komponente der kontinuierlichen Lichtwelle durchlaufen hat, wenn sie von dem sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Lichtim­ puls getroffen wird. Nach der Störung des Gleichgewichts der Fühlerschleife zur Erzeugung von Änderungen ihrer Ausbrei­ tungskonstanten (oder ihres Phasenkoeffizienten) können der oder die Impulse, je nach Fall, mit Hilfe eines Filters 7 ausgefiltert werden, bevor sie den Detektor 4 erreichen. Die Wellenlänge des Lichtimpulses könnte jedoch andererseits auch außerhalb des Ansprechbereichs des Detektors 4 liegen, wobei in diesem Fall dann das Filter 7 weggelassen werden kann. Beispielsweise könnte zur Erzeugung von Impulsen im Zusammenhang mit einem Siliziumdetektor ein 1,3 µm-Laser verwendet werden.

Wenn eine verteilte Temperatur gemessen werden soll, kann der optische Kerr-Effekt ausgenutzt werden, bei dem der sich ausbreitende Lichtimpuls den Brechungsindex der die Schleife bildenden Lichtleitfaser entsprechend der Temperatur verändert.

Es wird nun auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Es sind typische Phasenänderungen zu erkennen, die in dem interfe­ rierenden Lichtkomponenten am Detektor unter Ruhebedingungen der Schleife und bei Temperaturänderungen entlang der Schlei­ fe auftreten, wobei letztere gestrichelt dargestellt sind. Wie zu erkennen ist, sind die Variationen der Phasenänderung, die im Detektor zur Bestimmung der Temperaturverteilung längs der Fühlerschleife gemessen werden können, bei M 1 und M 2 angegeben.

Zum Verhindern von Polarisierungseffekten, die sich aus Än­ derungen der relativen Polarisierungszustände der Komponen­ ten der sich längs der Fühlerschleife ausbreitenden konti­ nuierlichen Lichtquelle ergeben, können für die Lichtleitfa­ sern und die Richtkoppler polarisationserhaltende (oder po­ larisierende) Typen verwendet werden.

Im Hinblick auf die Erzielung der maximalen Antwort des Sy­ stems auf den intensiven Impuls oder die intensiven Impulse, die in die Fühlerschleife 1 eingespeist werden, kann das Sagnac-Interferometer durch eine Einbeziehung eines Vorspan­ nungsmittels 8 in die Schleife 1 vorgespannt werden. Diese Vorspannung, die gemäß einer der derzeit in Verarbeitungsan­ ordnungen für Gyroskopsysteme angewendeten Methoden bewirkt werden kann, stört die normale Gleichphasenbeziehung der sich entgegengesetzt ausbreitenden Komponente der kontinuier­ lichen Lichtquelle, die am Detektor 4 empfangen wird, und sie bewirkt eine relative Frequenz- oder Phasenversetzung zwischen den Komponenten.

Die in Fig. 1 dargestellte Fühleranordnung kann weiter verbessert werden, damit eine bessere Reziprozität der Strecken erzielt wird, was beispielsweise durch Verwendung der sogenannten Minimumfaser-Gyroskopkonfiguration für ein Gyroskop mit reziproker Strecke erreicht werden kann.

Claims (7)

1. Mit Lichtleitfasern arbeitende Fühleranordnung zum Über­ wachen und/oder Messen von Temperaturen oder Drücken, die über eine vorbestimmte Strecke verteilt sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke eine Lichtleitfa­ ser umfaßt, die eine Fühlerschleife bildet, daß Mittel vor­ gesehen sind, mit deren Hilfe an die Fühlerschleife eine kontinuierliche Lichtwelle angelegt wird, so daß sich das Licht gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen in der Schleife ausbreitet, wobei das resultierende Ausgangslicht aus der Schleife mit Hilfe von Detektormitteln erfaßt wird, daß Impulsgeneratormittel vorgesehen sind, die kurze Licht­ impulse erzeugen, die sich nur in einer Richtung in der Füh­ lerschleife ausbreiten, so daß dadurch vorübergehende Varia­ tionen der Ausbreitungskonstanten (oder der Phasenänderungs­ koeffizienten) längs der Lichtleitfaserschleife in Abhängig­ keit von der verteilten Temperatur oder dem verteilten Druck längs der Schleife erzeugt werden, und daß die Detektormit­ tel die Phasenänderungen erfassen, die in der von der Füh­ lerschleife empfangenen kontinuierlichen Lichtwelle aufgrund von Temperatur- oder Druckänderungen längs der Schleife auf­ treten.

2. Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die kontinuierliche Lichtwelle über einen optischen Richtkoppler in die Fühlerschleife eingespeist wird und daß das Ausgangslicht aus der Fühlerschleife in die Detektormit­ tel ebenfalls über einen optischen Richtkoppler eingespeist wird.

3. Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die von den Impulserzeugungsmitteln erzeugten Lichtimpulse über einen optischen Richtkoppler in die Füh­ lerschleife eingespeist werden.

4. Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die von den Impulserzeugungsmitteln erzeugten kur­ zen Impulse vor dem Erreichen der Detektormittel gefiltert werden.

5. Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wellenlänge der von den Impulserzeugungsmitteln erzeugten kurzen Impulse außerhalb des Ansprechwellenlängen­ bereichs der Detektormittel liegt.

6. Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine polarisationserhaltende Lichtleitfaser als Lichtleitfaser verwendet wird.

7. Fühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fühlerschleife Vorspannmittel enthält, die ein maximales Ansprechverhalten für die Impulse haben.