DE3816529C2

DE3816529C2 -

Info

Publication number: DE3816529C2
Application number: DE19883816529
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Kistler Instrumente GmbH
Priority date: 1988-05-14
Filing date: 1988-05-14
Publication date: 1990-07-05
Also published as: DE3816529A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2, wie sie aus der DE-OS 31 42 164 vorbekannt ist.The invention relates to a pressure measuring device according to the Preamble of claim 1 or 2, as they are from DE-OS 31 42 164 is already known.

Bei derartigen Druckmeßvorrichtungen muß bei Verwendung eines kontinuierlichen Lichtspektrums das Spektrometer so ausgebildet sein, daß es die Frequenz erkennt, bei der das Maximum der Interferenz vorliegt, alternativ kann jedoch die Lichtquelle durchstimmbar ausgebildet sein.In such pressure measuring devices must be used a continuous light spectrum the spectrometer be designed so that it detects the frequency at which is the maximum of the interference, alternatively However, the light source can be designed to be tunable be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß entweder das Spektrometer oder aber die Lichtquelle mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit durchstimmbar sind.The invention has for its object the device of the type mentioned in such a way that either the spectrometer or the light source with high speed and high accuracy tunable are.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. durch die im kennzeichnenden Teil des dem Anspruch 1 nebengeordneten Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this task is characterized by Part of claim 1 or in the characterizing Part of the claim subordinate to claim 1 2 specified features solved.

Die Unteransprüche 3 bis 6 geben bevorzugte Ausbildungen der Erfindung an.The sub-claims 3 to 6 give preferred training of the invention.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigtThe invention is described below with reference to a drawing explained. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gesamtanordnung, Fig. 1 is a schematic representation of the overall arrangement,

Fig. 2 eine Darstellung der Intensität des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts über die Wellenlänge, Fig. 2 is a diagram of the intensity of light emitted from the light source about the wavelength,

Fig. 3 eine Darstellung der Intensität des von dem Sensor reflektierten Lichts über die Wellenlänge, Fig. 3 is a diagram of the intensity of the reflected light from the sensor on the wavelength,

Fig. 4 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Ausgestaltung des Sensors, Fig. 4 shows a first preferred embodiment of a configuration of the sensor,

Fig. 5 ein zweites bevorzugtes Ausführungs beispiel einer Ausbildung des Sen sors und Fig. 5 shows a second preferred embodiment example of a training of the sensor and Sen

Fig. 6 ein drittes bevorzugtes Ausführungs beispiel des Sensors, Fig. 6 shows a third preferred execution example of the sensor,

Fig. 7 eine bevorzugte Ausbildung des In terferometers und Fig. 7 shows a preferred embodiment of the inferferometer and

Fig. 8 eine alternative Ausbildung der Ge samtanordnung. Fig. 8 shows an alternative design of the Ge overall arrangement.

Die Druckmeßvorrichtung besteht aus einem Sensor 14, ei ner Lichtquelle 16, einem Interferometer 18 und einem Lichtleiter 20, der von der Lichtquelle 16 zu dem Sensor 14 und von dem Sensor 14 zu dem Interferometer 18 führt und bei der Ausbildung nach Fig. 1 mit einer optischen Steckverbindung 28 versehen ist.The pressure measuring device consists of a sensor 14 , egg ner light source 16 , an interferometer 18 and a light guide 20 which leads from the light source 16 to the sensor 14 and from the sensor 14 to the interferometer 18 and in the embodiment according to FIG. 1 with a optical connector 28 is provided.

Das von der Lichtquelle 16 ausgestrahlte Licht ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem bestimmten Bereich, der wenigstens eine Breite von 100 nm haben sollte, kontinuierlich, wie dies Fig. 2, in der die Lichtintensität über die Wellenlänge dargestellt ist, erkennbar ist. Das Spektrum des Lichts, das von dem Sen sor 14 reflektiert und zu dem Interferometer 18 rückge führt wird, ist in Fig. 3 dargestellt, wobei deutlich wird, daß das Wellenspektrum bei genau definierten Wel lenlängen (die dem jeweiligen Druck im Bereich des Sen sors 14 entsprechen) "Lücken" aufweist.In the preferred exemplary embodiment, the light emitted by the light source 16 is continuous in a certain region, which should have a width of at least 100 nm, as can be seen in FIG. 2, in which the light intensity is shown over the wavelength. The spectrum of the light, which is reflected from the sensor 14 and leads back to the interferometer 18 , is shown in FIG. 3, it being clear that the wave spectrum at precisely defined wavelengths (which correspond to the respective pressure in the area of the sensor) 14 )) has "gaps".

Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensors 14, der aus einem zylindrischen Körper 26, der mittig von einem Lichtleiter 20 durchdrungen wird und einer kappenartig ausgebildeten Membran 12 gebildet wird. Die Endfläche des Lichtleiters 20 schließt bündig mit der Stirnfläche des Körpers 26 ab, so daß die Endfläche des Lichtleiters 20 und die Stirnfläche des Körpers 26 eine Wandung 12 bilden, die gemeinsam mit der in unbelastetem Zustand zu dieser exakt parallel verlaufenden Membran 10 einen - vorzugsweise evakuierten - Raum bildet. Fig. 4 shows a first embodiment of the sensor 14 , which is formed from a cylindrical body 26 , which is penetrated in the center by an optical fiber 20 and a cap-like membrane 12 . The end face of the light guide 20 is flush with the end face of the body 26 , so that the end face of the light guide 20 and the end face of the body 26 form a wall 12 , which together with the membrane 10, which runs exactly parallel to it when unloaded, preferably one evacuated - space forms.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Aus bildung des Sensors 14. Dieser besteht aus einem Licht leiter 20, der mittig in ein Quarzkapillarrohr 26 einge schmolzen ist, wobei die Stirnfläche des Quarzkapillar rohres 26 über die fein optisch polierte Endfläche des Lichtleiters 20 hinausragt und die Membran 10 durch ein auf die Stirnfläche des Quarzkapillarrohres 26 aufge brachtes Plättchen gebildet wird. Fig. 5 shows a second embodiment of an education from the sensor 14th This consists of a light guide 20 which is centrally melted in a quartz capillary tube 26, wherein the end face of the Quarzkapillar protrudes tube 26 via the fine-optically polished end face of the light guide 20 and the diaphragm 10 mounted by a set on the end face of Quarzkapillarrohres 26 platelets is formed.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausbildung, bei der der Licht leiter 20 aus einem lichtleitenden Kern 22 und einem Mantel 24 besteht, wobei das den lichtleitenden Kern 22 bildende Material weniger ätzresistent ist als das den Mantel 24 bildende Material und der Raum des Sensors 14 durch Ätzen der Stirnfläche und Abdecken der Stirnfläche mit einem die Membran bildenden Plättchen gebildet ist. Fig. 6 shows a third embodiment in which the light guide 20 consists of a light-guiding core 22 and a jacket 24 , the material forming the light-guiding core 22 being less resistant to etching than the material forming the jacket 24 and the space of the sensor 14 Etching the end face and covering the end face with a plate forming the membrane is formed.

Fig. 7 zeigt eine mögliche Ausbildung des Spektrometers 18 als Fabry-Perot-Interferometer. Dieses ist mit zwei Quarzkörpern 30, 32 versehen, die jeweils einen Ab schnitt des Lichtleiters 20 aufnehmen und mit einem Spalt voneinander getrennt sind. Die Breite dieses Spal tes wird über einen ringförmigen piezoelektrischen Schwinger 34 bestimmt, an den eine hochfrequente Wech selspannung angelegt ist. Ein Photoelement 36 erfaßt das durch das Interferometer 18 transmittierte Licht. Fig. 7 shows a possible configuration of the spectrometer 18 as the Fabry-Perot interferometer. This is provided with two quartz bodies 30, 32 , each of which receive a section from the light guide 20 and are separated from one another by a gap. The width of this gap is determined via an annular piezoelectric oscillator 34 , to which a high-frequency alternating voltage is applied. A photo element 36 detects the light transmitted through the interferometer 18 .

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensor 14 arbeitet nach dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers: Das über den Lichtleiter 20 zu dem Raum des Sensors 14 ge führte Licht wird an der vollverspiegelten Membran 10 reflektiert und an der die Wandung 12 bildenden, halb verspiegelten Stirnfläche des Lichtleiters 20 reflek tiert. Durch Interferenz der vielfach reflektierten Lichtstrahlen werden die Lichtstrahlen mit einer Wellen länge, die dem vierfachen Abstand zwischen der Membran und der Wandung entspricht, ausgelöscht, sie fehlen also im ansonsten kontinuierlichen Spektrum des reflektierten Lichts. Eine Änderung des Drucks, mit dem die Membran 10 des Sensors 14 beaufschlagt wird, führt zu einer Ände rung des Abstandes der Membran 10 von der Wandung 12. Dies führt wiederum dazu, daß sich die Wellenlänge, die in dem ansonsten kontinuierlichen Spektrum des reflek tierten Lichts fehlt, sich ändert. Da diese "fehlende" Wellenlänge in dem Spektrum des reflektierten Lichts ei ne direkte Aussage über den an dem Sensor 14 anliegenden Druck ergibt, ist es lediglich noch erforderlich, unter Verwendung eines Spektrometers die "fehlende" Wellenlän ge zu ermitteln. Diese Aufgabe übernimmt das Spektrome ter 18 (Fig. 7), wobei bei dem Ausführungsbeispiel ein Fabry-Perot-Interferometer eingesetzt wird. Dieses be steht aus zwei Quarzkörpern 30, 32, die jeweils einen Abschnitt des Lichtleiters 20 aufnehmen und durch einen Spalt 38 voneinander getrennt sind. Die Breite dieses Spaltes 38 wird über einen Ring aus einem piezoelektri schen Material bestimmt, an den eine hochfrequente Wech selspannung angelegt wird, mit dessen Frequenz die Brei te des Spaltes 36 variiert wird. Da die Endflächen der Abschnitte des Lichtleiters 20 jeweils verspiegelt sind, wird in Abhängigkeit der jeweiligen Spaltbreite jeweils eine bestimmte Wellenlänge des Spektrums bevorzugt durch gelassen. Wenn dieser Spaltabstand des kontinuierlich durch Anlegen einer Wechselspannung an das piezo elektrische Element durchgestimmten Interferometers ei nem Viertel der Wellenlänge, die in dem ansonsten konti nuierlichen Lichtspektrum fehlt, entspricht, wird das photoelektrische Element 36 eine minimale Lichtintensi tät aufnehmen, wodurch die "Lücke" in dem Lichtspektrum ermittelt werden kann. Die Spaltbreite des Sensors 14 (und damit der Druck, der auf den Sensor 14 ausgeübt wird) wird bei der hier vorgeschlagenen Anordnung also durch Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem bei einem Durch stimmen des Interferometers ein Minimum der Strahlungs intensität erkannt wird, bestimmt.The sensor 14 proposed according to the invention works on the principle of a Fabry-Perot interferometer: The light led via the light guide 20 to the space of the sensor 14 ge is reflected on the fully mirrored membrane 10 and on the wall 12 forming, half-mirrored end face of the light guide 20 reflected. The light rays with a wavelength that corresponds to four times the distance between the membrane and the wall are extinguished by interference of the light rays that are reflected many times, so they are missing in the otherwise continuous spectrum of the reflected light. A change in the pressure with which the membrane 10 of the sensor 14 is applied leads to a change in the distance of the membrane 10 from the wall 12 . This in turn means that the wavelength that is missing in the otherwise continuous spectrum of the reflected light changes. Since this “missing” wavelength in the spectrum of the reflected light gives a direct statement about the pressure applied to the sensor 14 , it is only necessary to determine the “missing” wavelength using a spectrometer. This task is carried out by the spectrometer 18 ( FIG. 7), a Fabry-Perot interferometer being used in the exemplary embodiment. This consists of two quartz bodies 30, 32 , each receiving a section of the light guide 20 and separated by a gap 38 . The width of this gap 38 is determined via a ring made of a piezoelectric material, to which a high-frequency alternating voltage is applied, with the frequency of which the width of the gap 36 is varied. Since the end faces of the sections of the light guide 20 are each mirrored, a specific wavelength of the spectrum is preferably passed through depending on the respective gap width. If this gap distance of the interferometer, which is continuously tuned by applying an alternating voltage to the piezoelectric element, corresponds to a quarter of the wavelength which is missing in the otherwise continuous light spectrum, the photoelectric element 36 will take up a minimal light intensity, as a result of which the "gap" in the light spectrum can be determined. The gap width of the sensor 14 (and thus the pressure exerted on the sensor 14 ) is thus determined in the arrangement proposed here by determining the point in time at which a minimum of the radiation intensity is detected when the interferometer is tuned.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 16′ mit einem durchstimmbaren Interfero meter versehen, das bewirkt, daß sich die Wellenlänge des Lichts, mit dem der Sensor 14 beaufschlagt wird, kontinuierlich ändert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das reflektierte Licht unmittelbar von einem photo elektrischen Element 18′ aufgenommen, wobei die Spalt breite des Sensors 14 (also der Abstand zwischen der Membran 10 und der Wandung 12) wiederum durch Erfassen des Zeitpunkts, zu dem die empfangene Lichtintensität mini mal ist und Inbezugsetzen zu der Wellenlänge des zu diesem Zeitpunkt von der Lichtquelle ausgesandten Lichts ermittelt wird.In the embodiment shown in Fig. 8, the light source 16 'is provided with a tunable interferometer, which causes the wavelength of the light with which the sensor 14 is applied to change continuously. In this embodiment, the reflected light is taken directly from a photoelectric element 18 ' , the gap width of the sensor 14 (i.e. the distance between the membrane 10 and the wall 12 ) in turn by detecting the time at which the received light intensity is minimal and is determined in relation to the wavelength of the light emitted by the light source at this time.

Claims

1. Pressure measuring device with an interferometric sensor ( 14 ) with a space formed by a membrane ( 10 ) and a spacing from the membrane ( 10 ) wall ( 12 ) and means for detecting the path that the membrane ( 10 ) under pressure covered relative to the wall ( 12 ), a visible or infrared light with a light source ( 16 ) emitting a spectrum which is continuous in a region with a width of at least 100 nm, a spectrometer ( 18 ), and one coming from the light source ( 16 ), At least part of the wall ( 12 ) of the space ( 14 ) and from the wall ( 12 ) to the spectrometer ( 18 ) leading light guide ( 20 ), the membrane ( 10 ) fully and the wall ( 12 ) is half mirrored and are arranged at an average distance from one another which is smaller than the average wavelength of the light emitted by the light source, characterized in that the spectrometer ( 18 ) is a Fabry-Perot -Interferometer, the gap distance is varied by piezoelectric elements ( 34 ).

2. Pressure measuring device with an interferometric sensor ( 14 ) with a space formed by a membrane ( 10 ) and a wall ( 12 ) extending at a distance from the membrane ( 10 ) and means for detecting the path that the membrane ( 10 ) under pressure covered relative to the wall ( 12 ), a visible or infrared light with a light source ( 16 ′ ) emitting in a region with a tunable wavelength of at least 100 nm, a photo element ( 18 ′ ), and one from the light source ( 16 ′ ) coming, at least part of the wall ( 12 ) of the space ( 14 ) and from the wall ( 12 ) to the photo element ( 18 ' ) leading light guide ( 20 ), the membrane ( 10 ) full and the wall ( 12 ) are half-mirrored and are arranged at an average distance from one another which is smaller than the average wavelength of the light emitted by the light source, characterized in that the light source ( 16 ′ ) has a Fabry-Perot interferometer, the gap distance of which is varied by piezoelectric elements ( 34 ).

3. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the space ( 14 ) is evacuated.

4. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the light guide ( 20 ) consists of a light-guiding core ( 22 ) and a jacket ( 24 ), the wall ( 12 ) through the finely optically polished end face of the light guide ( 20 ) itself is formed.

5. Pressure measuring device according to claim 4, characterized in that the light-conducting core ( 22 ) forming material is less resistant to etching than the material forming the jacket ( 24 ) and the space of the sensor ( 14 ) by etching the end face and covering the end face with a the membrane ( 10 ) forming platelets is formed.

6. Pressure measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the light guide ( 20 ) is melted centrally in a quartz capillary tube ( 26 ), the end face of the quartz capillary tube ( 26 ) protruding beyond the finely optically polished end face of the light guide ( 20 ) and the membrane ( 10 ) is formed by a plate applied to the end face of the quartz capillary tube ( 26 ).