DE3816950A1 - Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung - Google Patents

Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Die Messung physikalischer Größen, wie z. B. Druck, Temperatur, Position ist in der industriellen Regelungs- und Automatisierungstechnik ein zentrales Problem. Die zu messende Größe wird hierzu mit einem geeigneten Meßwertaufnehmer aufgenommen und in ein Signal umgewandelt, das zur elektronischen Weiterverarbeitung oft über größere Entfernungen zu einer Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden muß. Sogenannte faseroptische Sensoren, die den zu messenden Parameter in ein optisches Signal umwandeln, sind für derartige Aufgaben aus mehreren Gründen besonders geeignet. Die Vorteile faseroptischer Sensoren bestehen im wesentlichen darin, daß zur Signalübertragung zwischen Auswerteeinheit und Meßwertaufnehmer keine elektrischen Leitungen erforderlich sind. Meßwertaufnehmer und Auswerteeinheit sind somit galvanisch getrennt und können ohne besondere Schutzmaßnahmen beispielsweise in der Hochspannungstechnik oder in der Medizin eingesetzt werden. Da nur kleine optische Leistungen zum Betrieb der faseroptischen Sensoren erforderlich sind, ist auch ihre Verwendung in explosionsgefährdeten Umgebungen möglich. Außerdem sind faseroptische Sensoren auch bei größeren Übertragungsstrecken unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder.
Viele physikalische Meßgrößen, wie z. B. Druck und Temperatur, lassen sich durch geeignete Meßwertaufnehmer in eine Positionsänderung umwandeln. Diese Positionsänderung kann beispielsweise durch die Auslenkung einer druckempfindlichen Membran oder durch die thermische Dehnung des Bimetallkörpers hervorgerufen werden. Mittels einer im Meßwertaufnehmer untergebrachten optischen Vorrichtung wird dann bei faseroptischen Wegaufnehmern die Information über die Position dem sich vom Aufnehmer zur Auswerteeinheit ausbreitenden Lichtstrom aufgeprägt. Diese Information kann beispielsweise in einer Änderung der Intensität oder der spektralen Zusammensetzung des in den Meßwertaufnehmer über einen Lichtleiter eingekoppelten Lichtes bestehen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 36 27 188 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Weglänge bekannt, bei dem das aus einer Lichtleitfaser austretende Licht wenigstens zwei spektral unterschiedliche Komponenten enthält, die nach Durchlaufen der zu messenden Weglänge an unterschiedlichen spiegelnden Flächen reflektiert werden. Die zu messende Weglänge x ist jeweils in der Intensität der in die Lichtleitfaser reflektierten unterschiedlichen spektralen Komponenten des Lichtes enthalten. Da die unterschiedlichen spektralen Komponenten an unterschiedlichen spiegelnden Flächen reflektiert werden, ist die sich zwischen Weglänge x und Intensität I des in die Lichtleitfaser reflektierten Lichtes ergebende Beziehung für die unterschiedlichen spektralen Komponenten verschieden. Wird das Verhältnis aus den zu diesen Komponenten gehörenden Empfangssignalen gebildet, so kann die Weglänge x bei weitgehender Elimination der Übertragungsverluste in der Lichtleitfaser ermittelt werden.
Im praktischen Betrieb einer derartigen Vorrichtung gelingt jedoch eine Elimination der Übertragungsverluste nicht vollständig, da die Temperaturabhängigkeit der Faserdämpfung für unterschiedliche Wellenlängen verschieden ist. Neben der Temperaturabhängigkeit der spektralen Dämpfung der Lichtleitfaser ist auch eine von der Temperatur abhängige Drift der Wellenlängen der als Lichtquellen verwendeten LED's zu berücksichtigen. Diese Drift führt ebenfalls dazu, daß sich die Dämpfung der Lichtleitfaser für beide spektralen Komponenten nicht gleichmäßig ändert. Diese Randbedingungen haben zur Folge, daß die beiden spektralen Komponenten schmalbandig sein und nahe beieinanderliegen müssen. Außerdem muß dafür Sorge getragen werden, daß die emittierten Spektren nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur sind. Bei der Verwendung zweier LED's ist es somit erforderlich, daß diese thermostatiert werden. Durch die nahe beieinanderliegenden Wellenlängen der verwendeten Lichtquellen macht sich dann außerdem die Temperaturdrift des verwendeten Kantenfilters bemerkbar. Bei der bekannten Vorrichtung ist somit zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Reduktion der Auswertefehler ein hoher zusätzlicher Aufwand zur Elimination des Einflusses der Umgebungstemperatur auf das Meßergebnis erforderlich.
Zur Verringerung des Einflusses der temperaturabhängigen Übertragungsfunktion der Lichtleitfasern ist deshalb ein Wellenlängen-Multiplexverfahren vorgeschlagen worden, bei dem ineinander verschachtelte Bandspektren verwendet werden. Aus "Ph. Dabkiewicz, R. Ulrich, "Fiber-Optic Angular Sensor with Interleaved Channel Spectra", Opt. Lett., Vol. 11, No. 8, Aug. 1986" ist ein Winkel-Sensor bekannt, bei dem das von einer breitbandigen Lichtquelle emittierte Licht in zwei Komponenten zerlegt wird, deren Spektren ineinander verschachtelt sind. Dazu wird ein Fabry-Perot-Filter verwendet, dessen Interferenzordnung im Wellenlängen-Bereich der Lichtquelle sehr groß ist, so daß eine Vielzahl von Spektralbändern transmittiert wird. Das verwendete Fabry-Perot-Filter ist außerdem doppelbrechend und so ausgewählt, daß sich die Interferenzordnungen für die beiden Hauptachsen des Fabry-Perot-Filters um ein ungerades Vielfaches von 1/2 unterscheiden. Die zu den beiden Polarisationsrichtungen gehörenden Spektren des transmittierten Lichtes sind dann ineinander verschachtelt, d. h. wenn für eine Wellenlänge in einer Polarisationsrichtung die Transmission maximal ist, dann ist die Transmission für dazu senkrechte Polarisationsrichtung bei der gleichen Wellenlänge minimal. Nach dem Durchtritt durch das doppelbrechende Fabry-Perot-Filter trifft das Licht auf einen drehbaren Polarisator, dessen Winkelstellung dem zu messenden Winkel entspricht. In einer Analysatoreinrichtung ist ein weiteres Fabry-Perot-Filter angeordnet, das baugleich mit dem ersten Fabry-Perot-Filter ist. Mittels eines Wollaston-Prismas werden die zu den beiden Transmissionsbändern der Fabry-Perot-Filter gehörenden Polarisationszustände des Lichtes räumlich getrennt und die korrespondierenden Intensitäten unabhängig voneinander gemessen. Aus dem Verhältnis dieser Intensitäten kann dann die Winkelstellung des Polarisators ermittelt werden. Durch die enge Verschachtelung der zu beiden Intensitäten gehörenden Spektren sind umgebungsabhängige Einflüsse auf die Dämpfungseigenschaften der für die Übertragung verwendeten Lichtleitfaser weitgehend eliminiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung anzugeben, bei der die temperatur- und wellenlängenabhängigen Dämpfungseigenschaften der Lichtleitfaser durch die Verwendung eines Wellenlängen-Multiplexverfahrens mit ineinander verschachtelten Bandspektren weitgehend unterdrückt wird.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß das Bandspektrum des durch ein Fabry-Perot-Filter transmittierten Lichtes und das Bandspektrum des vom selben Fabry-Perot-Filter reflektierten Lichtes ebenfalls ineinander verschachtelt sind, da die Wellenlängen maximaler Transmission mit den Wellenlängen minimaler Reflexion zusammenfallen. Zur Erzeugung ineinander verschachtelter Bandspektren ist somit ein doppelbrechendes Fabry- Perot-Filter nicht erforderlich. Die Reflexion der durch das Fabry-Perot-Filter transmittierten spektralen Komponente erfolgt an einer dahinter angeordneten Spiegelfläche. Dadurch ergeben sich für die beiden spektralen Komponenten unterschiedliche geometrische Abbildungsverhältnisse. Dies hat zur Folge, daß sich für diese beiden Komponenten verschiedene Beziehungen zwischen Weglänge und Intensität des in die Lichtleitfaser reflektierten Lichtes ergeben. In der Analysatoreinrichtung werden die zu den beiden unterschiedlichen Spektralbändern gehörenden Komponenten voneinander getrennt und die zugehörigen Intensitäten ermittelt. Als Maß für die Weglänge x wird dann das Verhältnis aus diesen beiden Intensitäten herangezogen. Durch die innige Verschachtelung der beiden Spektren ist der Einfluß der Temperatur- und Wellenlängenabhängigkeit der optischen Übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser weitestgehend eliminiert.
Die Trennung der spektral unterschiedlichen Komponenten erfolgt mit Hilfe von Fabry-Perot-Filtern, deren Transmissions- oder Reflexionsbänder auf die betreffenden Kanäle eingestellt sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche 2 bis 4.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Weglänge gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist und in deren
Fig. 2 und 3 weitere besonders einfache Ausgestaltungen von Analysatoreinrichtungen veranschaulicht sind.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Meßwertaufnehmer 2 zwei tubusförmig angeordnete zylindrische Teile 21 und 22, die ineinander in Richtung des Doppelpfeiles verschoben werden können. Der mit einer Lichtleitfaser 4 verbundene zylindrische Teil 21 ist beispielsweise ortsfest. Gegenüber der Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 ist an der offenen Stirnseite des zylindrischen Teils 21 eine optische Abbildungsvorrichtung, beispielsweise ein Mikroskopobjektiv oder eine Sammellinse 12, angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 außerhalb des Brennpunktes der Sammellinse 12. Dadurch wird der Einfluß einer Lageänderung der Stirnfläche 41 relativ zur Sammellinse 12, wie sie beispielsweise durch Vibrationen ausgelöst werden kann, auf die Abbildungsverhältnisse verringert. Im parallel zur optischen Achse 9 verschiebbar angeordneten zylindrischen Teil 22 ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtes ein Fabry-Perot-Filter 6 angeordnet, dessen Normale parallel zur optischen Achse 9 des Meßwertaufnehmers 2 verläuft. Dahinter befindet sich eine beispielsweise konkav gekrümmte Spiegelfläche 10, an der das durch das Fabry-Perot-Filter 6 hindurchtretende Licht reflektiert wird. Die Spiegelfläche 10 wird in vorteilhafter Weise durch die verspiegelte gekrümmte Fläche einer plankonvexen Linse 8 gebildet, deren Mittelachse ebenfalls parallel zur optischen Achse 9 verläuft.
Das aus der Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 austretende Licht 14 ist spektral breitbandig und trifft nach Durchlaufen der Weglänge x auf das Fabry-Perot-Filter 6. Dieses Licht 14 wird durch das Fabry-Perot-Filter 6 in einen reflektierten Lichtanteil 16 mit dem Leistungsdichtespektrum P R und einen transmittierten Lichtanteil 17 mit dem Leistungsdichtespektrum P T′ aufgespalten, die sich in ihrer spektralen Zusammensetzung entsprechend der wellenlängenabhängigen Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Fabry-Perot-Filters 6 unterscheiden. Der transmittierte Lichtanteil 17 wird an der Spiegelfläche 10 reflektiert, tritt erneut durch das Fabry-Perot-Filter 6 und gelangt als zweifach transmittierter Anteil 18 mit dem Leistungsdichtespektrum P T zur Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 zurück. Die geometrischen Abbildungsverhältnisse für den am Fabry-Perot-Filter 6 reflektierten Lichtanteil 16 und den an der Spiegelfläche 10 reflektierten Anteil 18 sind verschieden und hängen in unterscheidlicher Weise vom Abstand des Fabry-Perot-Filters 6 von der Sammellinse 12 bzw. von der zu messenden Weglänge x ab. Für die beiden Lichtanteile 16 und 18 ergibt sich somit ein unterschiedlicher Zusammenhang zwischen der in die Lichtleitfaser jeweils zurückgekoppelten Intensität und der Weglänge x.
Der Meßwertaufnehmer 2 ist über die Lichtleitfaser 4 mit einer Sende- und Empfangseinrichtung 30 verbunden, die neben einer spektral breitbandigen Lichtquelle 32, beispielsweise einer LED, auch eine Analysatoreinrichtung 50 enthält, die eine spektrale Dekodierung der in die Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 eingekoppelten Lichtanteile 16 und 18 ermöglicht.
Die Lichtleitfaser 4 ist in der Sende- und Empfangsvorrichtung 30 mit ihrer Stirnfläche 42 an eine Selfoc-Linse 34 gekoppelt, die mit einem Strahlteiler 36 verbunden ist. Der Strahlteiler 36 ist über eine weitere Selfoc-Linse 34 mit der Lichtquelle 32 verbunden. Anstelle des in der Figur dargestellten würfelförmigen Strahlteilers 36 und der Selfoc-Linsen 34 sind in einer bevorzugten Ausführungsform Faserkoppler vorgesehen. Mittels des Strahlteilers 36 wird das aus der Stirnfläche 42 der Lichtleitfaser 4 austretende Licht der Analysatoreinrichtung 50 zugeführt, die ein Fabry-Perot-Filter 52 enthält, das um eine senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung des Lichtes stehende Achse 54 mittels eines Antriebes 56, beispielsweise ein Schrittmotor oder ein Piezoantrieb, gedreht werden kann. Zur Messung der Intensität des durch das Fabry-Perot-Filter 52 hindurchtretenden Lichtes ist ein Lichtempfänger 58, beispielsweise eine Fotodiode vorgesehen. Die Steuerung des Antriebes 56 und die Auswertung der in Abhängigkeit vom Drehwinkel α des Fabry-Perot-Filters 52 am Lichtempfänger 58 gemessenen Lichtintensität erfolgt in einer Steuer- und Auswertevorrichtung 60, die auch die elektrische Versorgung für die Lichtquelle 32 bereitstellt. In der Steuer- und Auswertevorrichtung 60 erfolgt dann die Ermittlung der Weglänge x.
Auf das Fabry-Perot-Filter 6 im Meßwertaufnehmer 2 trifft Licht mit einem Leistungsdichtespektrum P auf. Dieses wird durch das Fabry-Perot-Filter in einen reflektierten Lichtanteil 16 und einen transmittierten Lichtanteil 17 aufgespaltet, für deren Leistungsdichtespektren die Beziehungen
P R (λ) = P (λ) T 6,R (λ,R) (1)
P T′(λ) = P (λ) T 6,T (λ,R) (2)
gelten, wobei T 6,R und T 6,T die vom Einfallswinkel R des Lichtes abhängigen Übertragungsfunktionen des Fabry-Perot-Filters 6 in Reflexion und Transmission sind. Für ein verlustfreies Fabry-Perot-Filter lassen sich diese Übertragungsfunktionen durch die Gleichungen
T 6,R = 4R₆ sin² (2π nl cos R)/((1-R₆)² + 4R₆ sin² (2π nl cos R)) (3)
T 6,T = (1-R₆)²/((1-R₆)² + 4R₆ sin² (2π nl cos R)) (4)
darstellen. Dabei bedeutet R₆ die Spiegelreflektivität des Fabry- Perot-Filters 6, l seine Resonatorlänge und n die Brechzahl des Resonatormediums. Für kleine Öffnungswinkel und bei nahezu senkrechtem Einfall der auf das Fabry-Perot-Filter 6 auftreffenden Lichtanteile kann der Einfallswinkel R näherungsweise gleich Null gesetzt werden.
Der transmittierte Anteil 17 wird an der Spiegelfläche 10 reflektiert und durchläuft erneut das Fabry-Perot-Filter 6. Das Leistungsdichtespektrum des Anteils 18 läßt sich somit näherungsweise durch die Beziehung
P T (λ) = P T′(λ) T 6,T (λ,R) ≈ P (λ) T 6²,T (λ,R = 0) (5)
darstellen.
Die in die Lichtleitfaser 4 zurückgekoppelten spektralen Leistungsdichten P R und P T werden mit Funktionen f R(x) und f T(x) gewichtet, die die unterschiedlichen geometrischen Abbildungsverhältnisse für die beiden Lichtanteile 16 und 18 repräsentieren und von der zu messenden Weglänge x abhängen. Die Information über die Weglänge x ist nun jeweils in der Intensität der beiden zurückgekoppelten Lichtanteile 16 und 18 enthalten. Die spektrale Bandbreite der Lichtquelle 32 und die Interferenzordnung des Fabry-Perot-Filters (6) sind dabei so ausgewählt, daß im Spektralbereich der Lichtquelle 32 eine Vielzahl von Transmissions- bzw. Reflexionsmaxima, beispielsweise mehr als 5, vorzugsweise mehr als 10 auftreten. Dabei soll sich die Lage zweier benachbarter Reflexions- und Transmissionsmaxima um weniger als 10 nm, vorzugsweise um weniger als 5 nm unterscheiden.
Mittels des in der Sende- und Empfangsvorrichtung 30 angeordneten Fabry-Perot-Filters 52 kann nun die in beiden Lichtanteilen 16 und 18 enthaltene Information getrennt werden. Der Lichtempfänger 58 empfängt ein vom Drehwinkel α des Fabry-Perot-Filters 52 abhängiges Leistungsdichtespektrum
P M (λ,α) = (P R (λ) f R(x) + P T (λ) f T(x)) T 52,T (λ,α) T₄(λ) -(6)
T 52,T (λ,α) ist dabei die Übertragungsfunktion des Fabry-Perot- Filters 52 in Transmission und T₄(λ) ist die Übertragungsfunktion der zwischen Stirnfläche 41 und Fabry-Perot-Filter 52 liegenden optischen Komponenten. Das zur Analyse verwendete drehbare Fabry-Perot-Filter 52 hat vorzugsweise die gleiche Resonatorlänge und das gleiche Resonatormedium wie das im Meßwertaufnehmer 2 angeordnete Fabry-Perot-Filter 6, so daß die beiden Filter für α = 0 ihre Transmissionsmaxima bei denselben Wellenlängen haben. In einem Ausführungsbeispiel betrug die Resonatorlänge l der Fabry-Perot-Filter 6 und 52 etwa 50 µm. Der damit verbundene Abstand der benachbarten Transmissions- und Reflexionsmaxima von etwa 4 nm hat sich bei Verwendung von Licht im Wellenlängenbereich um 850 µm als ausreichend klein erwiesen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das im Meßwertaufnehmer 2 angeordnete Fabry-Perot-Filter 6 eine möglichst niedrige Finesse
F₆ = (4R₆/(1-R₆)²)1/2 (7)
um die gesamte Intensität des aus der Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 austretenden Lichtes 14 möglichst gleichmäßig auf beide Kanäle zu verteilen. Der mit abnehmender Finesse verbundene Anstieg des Übersprechens zwischen den Kanälen kann jedoch durch eine hohe Finesse des in der Sende- und Empfangsvorrichtung 30 angeordneten Fabry-Perot-Filters 52 weitestgehend unterdrückt werden. In einem Ausführungsbeispiel hat sich die Kombination R₆ = 0,5 und R₅₂ = 0,9, entsprechend einer Finesse F₆ = 4,4 und F₅₂ = 29,8 als vorteilhaft erwiesen. Bei dem Drehwinkel α = 0 wird somit der vom Fabry-Perot-Filter 6 reflektierte Anteil 16 mit dem Leistungsdichtespektrum P R durch die hohe Finesse F₅₂ des Fabry-Perot-Filters 52 weitgehend gesperrt und der Lichtempfänger 58 erhält somit bis auf einen vernachlässigbaren Restanteil nur noch das vom Anteil 18 mit dem Leistungsdichtespektrum P T geprägte Spektrum
P M (λ,α) = 0) ≈ P T (λ) f T(x)T52,T (λ, 0)T₄(λ) (8)
Dreht man nun das Fabry-Perot-Filter 52, so werden die Wellenlängen maximaler Transmission mit zunehmendem Drehwinkel α verschoben und es gilt
λ max (α) = λ max (α = 0) (1-(sin² α)/n²)1/2 (9)
Für einen bestimmten Winkel α′ überlappen sich die Transmissionsbänder des Fabry-Perot-Filters 52 und die Reflexionsbänder des Fabry-Perot-Filters 6 maximal und der von der Spiegelfläche 10 kommende Anteil 18 wird weitestgehend gesperrt und am Lichtempfänger 58 wird somit bis auf vernachlässigbare Restanteile das Leistungsdichtespektrum
P M (λ,α = α′) ≈ P R (λ) f R(x)T52,T (λ,α′) T₄(λ) (10)
registriert. Der Lichtempfänger 32 integriert die in einem Spektrum enthaltene Intensität, gewichtet mit seiner Empfindlichkeitsfunktion E (λ) auf und gibt sie als Fotostrom an die Auswerteeinheit 60. Durch Einstellen des Fabry-Perot-Filters 52 auf die Winkel α = 0 bzw. α = α′ kann wechselweise der vom Fabry-Perot-Filter 6 reflektierte und mit der Kennlinie f R(x) gewichtete Lichtanteil 16 und der von der Spiegelfläche 10 zurückkommende und mit der Kennlinie f T(x) gewichtete Lichtanteil 18 gemessen werden. Wird das Verhältnis des zu den beiden Kanälen gehörenden am Lichtempfänger 32 gemessenen Fotostroms gebildet, so ergibt sich mit den Gleichungen (1), (5), (8) und (10) die Beziehung
Das Verhältnis der beiden Fotoströme ist somit proportional dem Verhältnis der durch die geometrischen Abbildungsverhältnisse im Meßwertaufnehmer 2 bestimmten und für die beiden Lichtanteile 18 und 16 unterschiedlich von der Weglänge x abhängigen Funktionen f T(x) und f R(x). Der durch den Quotienten aus den Integralen gebildete Proportionalitätsfaktor K ist durch die enge Verzahnung der Kanäle praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur. Die Informationsübertragung ist somit weitgehend unempfindlich gegen die Temperaturabhängigkeit der spektralen Sende-, Empfangs- und Übertragungseigenschaften der verwendeten optischen Bauelemente. Da in der besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 1 das Fabry-Perot-Filter 52 drehbar gelagert ist, kann außerdem eine temperaturabhängige Drift beider Fabry-Perot-Filter durch Nachfahren des Drehwinkels α leicht kompensiert werden.
Im Meßwertaufnehmer 2 sind die geometrischen Abbildungsverhältnisse für die beiden Lichtanteile 16 und 18 so gewählt, daß die korrespondierenden Kennlinien f R(x) und f T(x) bei Bildung des Quotienten f T(x)/f R(x) eine im Meßbereich von der Weglänge x ein eindeutig abhängige Funktion bilden. Insbesondere sind dabei Kennlinien f R und f T geeignet, die zu einander gegenläufig von der Weglänge x abhängen. In einem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur hat sich für den Meßbereich 10 mm-100 mm bei Verwendung einer Gradientenindexfaser mit einem Durchmesser von 100 µm eine achromatische Sammellinse 12 mit einer Brennweite von 4 mm und ein Hohlspiegel als Spiegelfläche 10, dessen Brennweite etwa 200 mm beträgt, als vorteilhaft erwiesen.
In einer vereinfachten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist in der Analysatoreinrichtung 50 ein feststehendes Fabry-Perot-Filter 53 vorgesehen, dessen Resonatorlänge und Resonatormaterial mit der Resonatorlänge und dem Resonatormaterial des im Meßwertaufnehmer angeordneten Fabry-Perot-Filters im wesentlichen übereinstimmen. Das am Fabry-Perot-Filter 53 reflektierte Licht wird mittels eines Strahlteilers 51 zu einem Lichtempfänger 57 weitergeleitet. Zur Messung des durch das Fabry-Perot-Filter 53 transmittierten Lichtes ist ein weiterer Lichtempfänger 59 vorgesehen.
Bei dieser Anordnung ist ein mechanischer Antrieb zur Drehung des zur Analyse verwendeten Fabry-Perot-Filters nicht erforderlich. Dieser Vorteil ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß zwei Lichtempfänger 57 und 59 verwendet werden müssen, deren spektrale Empfindlichkeiten unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen und die außerdem hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität ein unterschiedliches Alterungsverhalten zeigen können. Außerdem kann eine unterschiedliche Temperaturdrift der Transmissions- und Reflexionsbänder der im Meßwertaufnehmer und in der Analysatoreinrichtung angeordneten Fabry-Perot-Filter nicht ausgeglichen werden.
Unter Umständen kann es bei Verwendung von feststehenden Fabry- Perot-Filtern in der Analysatoreinrichtung von Vorteil sein, gemäß Fig. 3 in einer Analysatoreinrichtung 50 zwei unterschiedliche Fabry-Perot-Filter 53 und 55 vorzusehen, denen mittels eines Strahlteilers 51 das vom Meßwertaufnehmer zugeführte Licht, dessen Einfallsrichtung in der Figur mit dem Pfeil dargestellt ist, direkt zugeführt wird. Eines der beiden Fabry-Perot-Filter, beispielsweise das Fabry-Perot-Filter 53 ist dabei so gewählt, daß es hinsichtlich seiner Transmissionsbänder mit dem Fabry- Perot-Filter des Meßwertaufnehmers übereinstimmt. Das andere Fabry-Perot-Filter 55 ist so gewählt, daß die Lage der Maxima seines Transmissionsbandes mit der Lage der Maxima des Reflexionsbandes des Fabry-Perot-Filters 53 übereinstimmt. In dieser Ausführungsform kann durch eine hohe Finesse der zur Analyse verwendeten Fabry-Perot-Filter 53 und 55 die Trennung der Kanäle gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erhöht werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung einer Weglänge (x) oder einer Weglängenänderung mit folgenden Merkmalen
  • a) ein Meßwertaufnehmer (2) ist mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung (30) optisch verbunden,
  • b) der Meßwertaufnehmer (2) enthält eine Spiegelanordnung, die parallel verschiebbar zur optischen Achse (9) des Meßwertaufnehmers (2) angeordnet ist,
  • c) die Spiegelanordnung enthält
    • c₁) ein optisches Filter, dessen Übertragungsfunktion von der Wellenlänge abhängig ist und
    • c₂) eine in Ausbreitungsrichtung des in den Meßwertaufnehmer (2) eingekoppelten Lichtes (14) dahinter angeordnete Spiegelfläche (10),
  • d) die Sende- und Empfangsvorrichtung (30) enthält eine Lichtquelle (32) sowie eine Analysatoreinrichtung (50) zur getrennten Messung der Intensitäten der vom optischen Filter und von der Spiegelfläche (10) jeweils reflektierten Lichtanteile (16 bzw. 18),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • e) als Lichtquelle (32) ist eine spektral breitbandige Lichtquelle vorgesehen,
  • f) als optisches Filter ist ein Fabry-Perot-Filter (6) vorgesehen,
  • g) die Analysatoreinrichtung (50) enthält zur Trennung der Lichtanteile (16 und 18) wenigstens ein Fabry-Perot-Filter (52).
2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoreinrichtung (50) ein einziges Fabry-Perot-Filter (52) enthält, dessen Resonatorlänge und Resonatormaterial mit der Resonatorlänge und dem Resonatormaterial des im Meßwertaufnehmer (2) angeordneten Fabry- Perot-Filters (6) wenigstens annähernd übereinstimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Analysatoreinrichtung (50) ein Fabry-Perot-Filter (52) vorgesehen ist, das gegenüber der Einfallsrichtung des Lichtstrahls um einen Drehwinkel (α) gedreht werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Finesse des Fabry-Perot-Filters (52) der Analysatoreinrichtung (50) größer ist als die Finesse des Fabry-Perot-Filters 6 des Meßwertaufnehmers (2).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Analysatoreinrichtung (50) zwei Fabry-Perot-Filter (53 und 55) vorgesehen sind, deren Transmissionsbänder auf das Reflexionsband bzw. auf das Transmissionsband des Fabry-Perot-Filters (6) des Meßwertaufnehmers (2) eingestellt sind.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4018998A1 (de) * 1990-06-13 1992-01-02 Dynisco Geraete Gmbh Faseroptischer drucksensor
EP0539021A1 (de) * 1991-10-22 1993-04-28 Puritan-Bennett Corporation Schalter für optische Signalkanäle
DE4212981A1 (de) * 1992-04-18 1993-10-21 Deutsche Aerospace Aktuator
DE19621709A1 (de) * 1996-05-30 1997-12-04 Daimler Benz Ag Meßeinrichtung für lineare oder Drehbewegungen
DE19956557A1 (de) * 1999-11-24 2001-05-31 Mannesmann Vdo Ag Messverfahren zur optischen Positionsbestimmung eines Bewegungsgliedes und Sensor zur Durchführung des Verfahrens
CN105509816A (zh) * 2016-01-29 2016-04-20 苏州弘开传感科技有限公司 一种基于法布里珀罗原理的传感器

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4018998A1 (de) * 1990-06-13 1992-01-02 Dynisco Geraete Gmbh Faseroptischer drucksensor
EP0539021A1 (de) * 1991-10-22 1993-04-28 Puritan-Bennett Corporation Schalter für optische Signalkanäle
DE4212981A1 (de) * 1992-04-18 1993-10-21 Deutsche Aerospace Aktuator
DE19621709A1 (de) * 1996-05-30 1997-12-04 Daimler Benz Ag Meßeinrichtung für lineare oder Drehbewegungen
DE19956557A1 (de) * 1999-11-24 2001-05-31 Mannesmann Vdo Ag Messverfahren zur optischen Positionsbestimmung eines Bewegungsgliedes und Sensor zur Durchführung des Verfahrens
US6614016B1 (en) 1999-11-24 2003-09-02 Mannesmann Vdo Ag Method for optically determining the position of a movement element and sensor for implementing the method
DE19956557B4 (de) * 1999-11-24 2012-02-02 Continental Automotive Gmbh Sensor zur Durchführung eines Messverfahrens zur optischen Positionsbestimmung eines Bewegungsgliedes
CN105509816A (zh) * 2016-01-29 2016-04-20 苏州弘开传感科技有限公司 一种基于法布里珀罗原理的传感器
CN105509816B (zh) * 2016-01-29 2018-02-16 苏州弘开传感科技有限公司 一种基于法布里珀罗原理的传感器

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