DE3811178A1 - Mit lichtleitfasern arbeitender druck- oder verschiebungsfuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Druck- oder Verschiebungsfühler und insbesondere auf einen Fabry-Perot- Druck- oder Verschiebungsfühler.

In Fabry-Perot-Druckfühlern werden beispielsweise zwei teil­ weise reflektierende Reflektoren oder Spiegel durch einen Hohl­ raum im Abstand voneinander angeordnet, dessen Abmessung sich abhängig von dem auf einen der Spiegel einwirkenden Druck ver­ ändert, der eine lineare Verschiebung oder Verbiegung des Spie­ gels bewirkt. In Abhängigkeit von einer solchen linearen Ver­ schiebung des Spiegels, die gewöhnlich eine sehr kleine Größe hat, wird das durch die Spiegel hindurchgelassene und von den Spiegeln reflektierte Licht verändert, und diese Veränderung kann zür Ableitung des einwirkenden Drucks gemessen werden. Die Fabry-Perot-Druckfühler haben eine so hohe Empfindlichkeit, daß nur eine geringe lineare Verschiebung (elastische Verfor­ mung) eines der Spiegel erforderlich ist, um die Messung des einwirkenden Drucks zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft verschiedene Verbesserungen in Fabry- Perot-Druck- oder Verschiebungsfühlern, die folgendes ergeben:

• 1) eine verbesserte Robustheit des Fühlers;
• 2) eine Eignung des Fühlers für die Anwendung in ungünstigen Umgebungen und
• 3) eine Unempfindlichkeit für unerwünschte Reflexionen aus dem Beleuchtungssystem des Fühlers.

Gemäß der Erfindung ist ein mit Lichtleitfasern arbeitender Druck- oder Verschiebungsfühler mit einer Fabry-Perot-Vorrich­ tung mit zwei teilweise reflektierenden Reflektoren oder Spie­ geln, die durch einen Hohlraum oder dergleichen voneinander getrennt sind, dessen Abmessung sich in Abhängigkeit von dem auf einen der Spiegel einwirkenden Druck ändert, der eine li­ neare Verschiebung oder Verbiegung des Spiegels bewirkt, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Übertragen eines Lichtstrahls zu den Spiegeln und zum Empfangen von Licht, das von den Spie­ geln reflektiert wird, eine Lichtleitfaser verwendet wird, daß der Lichtstrahl und das reflektierte Licht Licht mit mehreren Wellenlängen umfaßt, daß die Wellenlängenkomponenten des aus­ gesendeten Lichts und die Wellenlängenkomponenten des empfan­ genen Lichts hinsichtlich ihres Bereichs normiert werden und zur Erzielung der jeweiligen Verhältnisse der gesendeten Inten­ sitäten zu den empfangenen Intensitäten verglichen werden und daß die Verhältnisse dann ihrerseits zur Bildung eines Verhält­ nisses miteinander verglichen werden, das von der Verschiebung des Spiegels aufgrund des auf ihn ausgeübten Drucks (oder der Verschiebung des Spiegels aufgrund einer Verschiebung eines diskreten Bauteils) abhängt, von Änderungen der Intensitäten des ausgesendeten Lichts jedoch unabhängig ist, die beispiels­ weise auf Reflexionen an optischen Komponenten in der Druck- oder Verschiebungs-Überwachungsanordnung zurückzuführen sind. Der Druck- oder Verschiebungsfühler ist auf diese Weise für unerwünschte Reflexionen im System unempfindlich.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Spiegelan­ ordnung des Fabry-Perot-Druck- oder Verschiebungsfühlers gegen das Auftreten übermäßiger Drücke oder Verschiebungen des Spie­ gels in ungünstigen Umgebungen geschützt, die den Fühler be­ schädigen könnten, wobei der Schutz dadurch gebildet wird, daß in dem Raum zwischen den teilweise reflektierenden Reflektoren des Fühlers ein Puffermittel angebracht wird, das mit einer Öffnung versehen ist, durch das das ankommende Licht zu den halbdurchlässigen Spiegeln gelangen kann, jedoch die Verschie­ bung des Spiegels über einen vorbestimmten Wert hinaus begrenzt.

Dieses Puffermittel kann eine im Vakuum aufgebrachte Pufferzone umfassen, die beispielsweise aus Siliciumdioxid oder Thorium­ fluorid besteht und vorzugsweise am feststehenden Spiegel des Fühlers angebracht ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein optischer Druck- oder Verschiebungsfühler geschaffen, bei dem das zu der Anordnung aus halbdurchlässigen Spiegeln eines Fabry-Perot-Füh­ lers übertragene Licht mittels einer Lichtleitfaser übertragen wird, die auch das von der Spiegelanordnung des Druckfühlers reflektierte Licht empfängt, wobei mittels eines fokussierenden Stabs mit abgestuftem Brechungsindex das vom Ende der Lichtleit­ faser austretende gesendete Licht auf die Spiegelanordnung kol­ limiert und das von der Anordnung reflektierte Licht wieder auf das Ende der Lichtleitfaser fokussiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnah­ me auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Fabry-Perot-Drucksensoranordnung nach der Erfin­ dung,

Fig. 2 eine Spiegelanordnung eines Fabry-Perot-Drucksensors und

Fig. 3 eine Lichtkollimierungs- und Lichtrefokussierungsan­ ordnung für einen Fabry-Perot-Druckfühler.

Nach Fig. 1 der Zeichnung kann Licht mit zwei verschiedenen Wellenlängen, das beispielsweise aus zwei entsprechenden Leucht­ dioden 1 und 2 kommt, in Lichtleitfasern 3 und 4 eingespeist werden, bevor es in einen Wellenlängenmultiplexer 5 eingegeben wird. Das multiplexierte Ausgangssignal des Multiplexers 5 wird über eine Lichtleitfaser 6 einem Richtkoppler 7 zugeführt, der das Licht in zwei gleiche Teile aufspaltet, von denen der eine mittels einer Lichtleitfaser 8 einem zwei Spiegel enthaltenden Fabry-Perot-Druckfühler 9 und der andere über eine Lichtleit­ faser 10 einem Wellenlängen-Demultiplexer 11 zugeführt wird. Die Ausgangssignale des Demultiplexers 11 können über Licht­ leitfasern 12 und 13 Photodioden, beispielsweise Silicium-PIN- Dioden 14 und 15, zugeführt werden. Diese Dioden liefern Aus­ gangssignale, die am Bereichsgatter 16 bzw. 17 angelegt werden, deren Ausgangssignale einem Komparator 18 zugeführt werden, der ein Ausgangssignal erzeugt, das das Intensitätsverhältnis zwischen den an den Fabry-Perot-Druckfühler angelegten Signa­ len mit den zwei Wellenlängen anzeigt.

Die Intensitäten der Lichtsignale mit den zwei Wellenlängen, die längs der Lichtleitfaser 8 vom Fabry-Perot-Druckfühler re­ flektiert werden, hängen vom Abstand zwischen den teilweise reflektierenden Reflektoren oder halbdurchlässigen Spiegeln des Fühlers ab, der seinerseits von dem auf den Fühler einwir­ kenden Druck abhängt. Die reflektierten Rücklaufsignale werden mit Hilfe des Richtkopplers 7 in eine Lichtleitfaser 19 einge­ speist und dann über einen Wellenlängen-Demultiplexer 20 gelei­ tet, der die jeweiligen Wellenlängen-Komponenten der Rücklauf­ signale aus dem Sensor 9 in Lichtleitfasern 21 und 22 lenkt, die die Signale mit den Wellenlängenkomponenten zu Photodioden, beispielsweise den Silicium-PIN-Dioden 23 und 24, übertragen. Diese Dioden 23 und 24 erzeugen elektrische Ausgangssignale, die Bereichsgattern 25 und 26 zugeführt werden, deren Ausgangs­ signale von einem Komparator 27 verglichen werden. Dieser Kom­ parator liefert ein Ausgangssignal, das das Verhältnis zwischen den Intensitäten der Rücklaufsignale bei den zwei verschiedenen Wellenlängen anzeigt.

Das Ausgangssignal des Komparators 27 und das Ausgangssignal des Komparators 18 werden dann einem Komparator 28 zugeführt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das vom Abstand zwischen den Spiegeln des Fühlers 9 und somit von dem auf den Fühler ein­ wirkenden Druck abhängt, jedoch unabhängig von Änderungen der Intensitäten des ausgesendeten Lichts ist. Auf diese Weise wird die Druckfühleranordnung unempfindlich für die Beleuchtungsin­ tensität und die Reflexionen aus optischen Bauelementen am Ort der Drucküberwachung und Druckmessung.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit teilweise reflektierenden Re­ flektoren oder halbdurchlässigen Spiegeln, die beispielsweise für den Fabry-Perot-Fühler 9 von Fig. 1 geeignet ist. Die Spie­ gelanordnung enthält einen lichtdurchlässigen Block 29, auf dessen einer Fläche ein teilweise reflektierender Reflektor 30 und auf dessen unterer Fläche eine reflexionsfreie Beschich­ tung 35 angebracht sind. Ein flexibles, lichtdurchlässiges Sub­ strat 31 ist an seiner Unterseite mit einem teilweise reflek­ tierenden Reflektor 32 versehen, und es wird mittels eines Ab­ standsglieds 33 (beispielsweise Siliciumdioxid) im Abstand vom Reflektor 30 gehalten. Wenn auf die obere Fläche des Substrats 31 Druck ausgeübt wird, wird die Abmessung des Fabry-Perot- Hohlraums oder des Abstandes zwischen den Reflektoren 30 und 32 durch Biegen des Substrats 31 verändert, was Änderungen der Intensitäten des von der Spiegelanordnung reflektierten Lichts erzeugt.

Damit eine Beschädigung der Anordnung aufgrund übermäßiger, auf das Substrat 31 einwirkender Kräfte verhindert wird, ist in dem Hohlraum eine Pufferzone 39, beispielsweise aus Sili­ ciumdioxid oder Throriumfluorid, angebracht. Dies kann dadurch vorgesehen werden, daß Siliciumdioxid im Vakuum auf dem Mate­ rial des Blocks 29 abgeschieden wird. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, begrenzt die Pufferzone 34 die Verbiegung des flexiblen Substrats 31 über einen gewissen Wert hinaus, wodurch ein Brechen oder dergleichen des flexiblen Substrats verhindert wird. Zur Minimierung der Einwirkung von Umgebungseinflüssen auf das flexible Substrat 31 kann die obere Fläche des Substrats mit einer geeigneten Schicht 35 überzogen sein, damit der ge­ wünschte Schutz erhalten wird.

Nach Fig. 3 wird der Anordnung 35 des Fabry-Perot-Fühlers 9 über eine Lichtleitfaser 36 zugeführtes Licht mittels eines Stabs 37 mit abgestuftem Brechungsindex kollimiert, der auch dazu dient, das von der Spiegelanordnung in die Lichtleitfaser zurückreflektierte Licht wieder zu fokussieren. Die Verwendung der Stablinse 37 anstelle einer konvexen kollimierenden Linse hat sowohl Herstellungsvorteile als auch Vorteile in der An­ ordnung und im Aufbau. In den mit Bezug auf die Zeichnung be­ schriebenen Ausführungsformen ist der Fabry-Perot-Fühler zwar ein Druckfühler, doch ist zu erkennen, daß der Fühler auch zum Feststellen einer (beispielsweise linearen) Verschiebung eines diskreten Teils verwendet werden kann, das mechanisch mit dem Verschiebungsspiegel der Spiegelanordnung verbunden ist.

Claims (5)

1. Mit Lichtleitfasern arbeitender Druck- oder Verschiebungs­ fühler mit einer Fabry-Perot-Vorrichtung mit zwei teilweise re­ flektierenden Reflektoren oder Spiegeln, die durch einen Hohl­ raum oder dergleichen voneinander getrennt sind, dessen Abmes­ sung sich in Abhängigkeit von dem auf einen der Spiegel einwir­ kenden Druck ändert, der eine lineare Verschiebung oder Verbie­ gung des Spiegels bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Über­ tragen eines Lichtstrahls zu den Spiegeln und zum Empfangen von Licht, das von den Spiegeln reflektiert wird, eine Lichtleitfa­ ser verwendet wird, daß der Lichtstrahl und das reflektierte Licht Licht mit mehreren Wellenlängen umfaßt, daß die Wellenlän­ genkomponenten des ausgesendeten Lichts und die Wellenlängenkom­ ponenten des empfangenen Lichts hinsichtlich ihres Bereichs nor­ miert werden und zur Erzielung der jeweiligen Verhältnisse der gesendeten Intensitäten zu den empfangenen Intensitäten vergli­ chen werden und daß die Verhältnisse dann ihrerseits zur Bildung eines Verhältnisses miteinander verglichen werden, das von der Verschiebung des Spiegels aufgrund des auf ihn ausgeübten Drucks (oder der Verschiebung des Spiegels aufgrund einer Verschiebung eines diskreten Bauteils) abhängt, von Änderungen der Intensi­ täten des ausgesendeten Lichts jedoch unabhängig ist, die bei­ spielsweise auf Reflexionen an optischen Komponenten in der Druck- oder Verschiebungs-Überwachungsanordnung zurückzuführen sind.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jewei­ lige Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen aus unter­ schiedlichen Lichtquellen durch einen Multiplexer kombiniert und dann mittels eines optischen Richtkopplers in zwei Teile aufgeteilt werden, von denen ein Teil durch die optische Faser zu den Spiegeln der Fabry-Perot-Vorrichtung und der andere Teil mittels eines Wellenlängen-Demultiplexers demultiplexiert wird, dessen Ausgangssignale Photodioden zugeführt werden, deren elek­ trische Ausgangssignale wiederum ihrerseits Bereichsgattern zu­ geführt werden, die durch einen ersten Komparator verglichene Ausgangssignale liefern, der ein Ausgangssignal erzeugt, das das Intensitätsverhältnis zwischen den zwei dem Fabry-Perot- Fühler zugeführten Wellenlängensignalen anzeigt, und daß die von den Spiegeln der Fabry-Perot-Vorrichtung längs der optischen Faser reflektierten Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellen­ längen von dem Richtkoppler zu einem weiteren Wellenlängen-De­ multiplexierer gekoppelt werden, dessen jeweilige Ausgangssi­ gnale Photodioden zugeführt werden, deren elektrische Ausgangs­ signale ihrerseits Bereichsgattern zugeführt werden, die Aus­ gangssignale liefern, die von einem zweiten Komparator vergli­ chen werden, der ein Ausgangssignal erzeugt, das das Intensi­ tätsverhältnis zwischen den Intensitäten der bei den zwei unter­ schiedlichen Wellenlängen reflektierten Signale anzeigt, und daß die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators einem dritten Komparator zugeführt werden, der ein Ausgangssi­ gnal erzeugt, das vom Abstand der Spiegel der Fabry-Perot-Vor­ richtung und von dem auf den Fühler einwirkenden Druck abhängt, jedoch von Änderungen der Intensitäten des zur Sensorvorrichtung gesendeten Lichts unabhängig ist.

3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Raum zwischen den Teilreflektoren oder Teilspiegeln der Fabry-Perot-Vorrichtung Puffermittel angebracht sind, damit die Vorrichtung gegen das Auftreten übergroßer Drücke oder Ver­ schiebungen eines der Reflektoren geschützt wird, und daß die Puffermittel eine Öffnung aufweisen, durch die einfallendes Licht zu den Teilreflektoren gelangen kann, wobei jedoch trotz­ dem die Verschiebung des Reflektors über einen vorbestimmten Wert hinaus begrenzt wird.

4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fabry-Perot-Vorrichtung einen lichtdurchlässigen Block enthält, der auf einer Fläche einen Teilreflektor und auf seiner Gegen­ fläche eine reflexionsfreie Beschichtung aufweist, daß die Fabry-Perot-Vorrichtung ferner ein flexibles, lichtdurchlässi­ ges Substrat aufweist, das auf einer Fläche mit einem Teilre­ flektor versehen ist, der mittels eines Abstandsglieds im Ab­ stand von dem lichtdurchlässigen Block gehalten wird, damit ein Hohlraum entsteht, dessen Abmessungen sich in Abhängigkeit von einer Verbiegung des Substrats verändern, und daß die Puffer­ mittel aus einer auf dem lichtdurchlässigen Block abgeschiede­ nen Zone, beispielsweise aus Silicium, bestehen.

5. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Fabry-Perot-Fühler über die optische Faser zugeführte Licht mittels eines Stabs mit abgestuftem Brechungsindex kolli­ miert wird, der auch zum Refokussieren des von der Spiegelanord­ nung in die optische Faser zurückreflektierten Lichts dient.