DE3820170A1 - Measuring transmitter for the measurement of physical quantities - Google Patents
Measuring transmitter for the measurement of physical quantitiesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßgeber zur Messung physikalischer Größen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sensor for measuring physical Sizes according to the preamble of claim 1.
Derartige Meßgeber zur Messung physikalischer Größen, wie beispielsweise von Wegen, Winkeln oder Temperaturen, arbeiten nach dem Prinzip eines Interferometers. Das Interferometer kann dabei beispielsweise ein Michelson-Interferometer, ein polarisationsoptisches Interferometer oder ein sonstiges Interferometer sein. Bezüglich der Grundlagen derartiger Interferometer wird auf gängige Optiklehrbücher verwiesen.Such transducers for measuring physical quantities, such as of paths, angles or temperatures work on the principle of one Interferometers. The interferometer can, for example, be a Michelson interferometer, a polarization-optical interferometer or be another interferometer. Regarding the basics of such Interferometers are referred to common optical textbooks.
Sämtlichen bekannten Interferometern ist gemeinsam, daß sie mit einer oder mehreren festen Wellenlängen auf der Sende- und/oder Empfangseite arbeiten. Auch bei Interferometern, die mit der sogenannten Hetero dyn-Empfangstechnik arbeiten, wird zwar in einem Interferometerzweig eine Wellenlängenverschiebung beispielsweise mittels einer Bragg-Zelle vorgenommen, als Meßgröße dient aber die zeitlich sich ändernde Phase des anderen Zweiges, des sog. Meßzweiges.All known interferometers have in common that they with a or several fixed wavelengths on the transmitting and / or receiving side work. Even with interferometers with the so-called hetero dyn reception technology is working in an interferometer branch a wavelength shift, for example using a Bragg cell made, but the temporally changing phase is used as the measured variable of the other branch, the so-called measuring branch.
Nachteilig bei bekannten Interferometern ist, daß kein einfacher Zusam menhang zwischen der zu messenden Größe, also beispielsweise einem Weg, und den gemessenen interferometrischen Größen besteht. Darüberhinaus er lauben die bekannten Interferometer zwar die genaue Messung von Wegun terschieden, jedoch nicht die Absolutmessung von Wegen.A disadvantage of known interferometers is that they are not a simple combination relationship between the size to be measured, e.g. a path, and the measured interferometric quantities. Furthermore he the known interferometers allow the precise measurement of path different, but not the absolute measurement of paths.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem interferome trischen Prinzip arbeitenden Meßgeber zur Messung physikalischer Größen anzugeben, bei dem ein einfacher Zusammenhang zwischen der gemessenen interferometrischen Größe und der zu messenden physikalischen Größe, z.B. einem Weg, einem Winkel oder einer Temperatur besteht. The invention has for its object one after the interferome trical principle working encoder for measuring physical quantities specify a simple relationship between the measured interferometric size and the physical size to be measured, e.g. a path, an angle, or a temperature.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildun gen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is with their training gene characterized in the claims.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Wellenlänge vor oder hinter der Interferometeranordnung in einem Wellenlängenbereich mit ei ner bestimmten Mindestbreite durchzustimmen.The invention is based on the basic idea that the wavelength before or behind the interferometer arrangement in a wavelength range with egg a certain minimum width.
Hierdurch ergibt sich nicht nur ein einfacher Zusammenhang zwischen der zu messenden Größe und der interferometrisch gemessenen Größe, sondern vor allem auch die Möglichkeit, nicht nur Wegänderungen, sondern auch absolute Weglängen zu messen.This not only results in a simple relationship between the size to be measured and the size measured interferometrically, but above all, the possibility not only of changes in route, but also to measure absolute path lengths.
Bekannte interferometrische Meßgeber ermöglichen dagegen - wie bereits ausgeführt - lediglich die genaue Bestimmung von Wegänderungen.Known interferometric transducers, on the other hand, enable - like already carried out - only the exact determination of path changes.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßgeber erlaubt damit sowohl eine absolute Wegmessung als auch eine relative Wegmessung. Die absolute Weg messung erfolgt über die Messung einer wegproportionalen Frequenz; zu sätzlich ist es gemäß Anspruch 10 möglich, eine sehr genaue relative Wegmessung über die Bestimmung der Phasenlage durchzuführen.The transducer proposed according to the invention thus allows both absolute distance measurement as well as a relative distance measurement. The absolute way measurement is carried out by measuring a frequency proportional to the path; to in addition, it is possible according to claim 10, a very accurate relative Carry out distance measurement by determining the phase position.
Dabei können beliebige physikalische Größen, wie Weg, Winkel und/oder Temperaturen gemessen werden, sofern diese nur zu einer Weg- bzw. Pha senänderung führen.Any physical quantities, such as path, angle and / or Temperatures are measured, provided that they are only a path or Pha lead change.
In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz sen der- oder empfängerseitig linear um einen Mittelwert variiert, da sich dann auch ein linearer Zusammenhang zwischen den einzelnen Größen ergibt (Anspruch 2).In any case, it is particularly advantageous if the frequency is sen on the receiver side or on the receiver side varies linearly by an average, since then there is also a linear relationship between the individual quantities (Claim 2).
Als Interferometer können im Prinzip beliebige Interferometer, bei spielsweise polarisationsoptische Interferometer (Anspruch 3) oder Michelson-Interferometer (Anspruch 7) verwendet werden. In principle, any interferometer can be used as an interferometer for example polarization-optical interferometers (claim 3) or Michelson interferometer (claim 7) can be used.
In den Ansprüchen 4 bis 6 bzw. 8 sind "Geberelemente" angegeben, deren Stellung die Frequenz bzw. die Phase beeinflußt, und deren Lage zur zu messenden Größe korreliert ist.In claims 4 to 6 and 8, "donor elements" are specified, the Position affects the frequency or phase, and their position to measuring size is correlated.
Der erfindungsgemäße Meßgeber eignet sich dabei insbesondere als faser optischer Weggeber (Anspruch 9). Dabei können die in den vielfältigsten Formen vorhandenen Komponenten, wie Lichtwellenleiter -stecker, -ver zweiger, faseroptische Sender und Empfänger verwendet werden.The transducer according to the invention is particularly suitable as a fiber Optical displacement sensor (claim 9). It can be in the most varied Form existing components, such as fiber optic connectors, ver two fiber optic transmitters and receivers are used.
In jedem Falle behält der erfindungsgemäße Meßgeber die bekannten Vor teile von faseroptischen Meßgebern, wie einfacher Aufbau und eine stö rungsfreie, von elektromagnetischen Einstreuungen nicht beeinflußbare Übertragung von Meßsignalen.In any case, the transducer according to the invention retains the known ones parts of fiber optic sensors, such as simple construction and a disturbance non-interference that cannot be influenced by electromagnetic interference Transmission of measurement signals.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments Described in more detail with reference to the drawing, in which:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 1 shows a first embodiment of the invention,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 shows a second embodiment of the invention,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 3 shows a third embodiment of the invention, and
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention.
Bei den im folgenden beschriebenen vier Ausführungsbeispielen handelt es sich ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens um faseropti sche Weggeber. Bei faseroptischen Weggebern kommen die vorstehend ange sprochenen und nachstehend näher erläuterten Vorteile der Erfindung be sonders zum Tragen. Es bedarf aber keiner näheren Erläuterung, daß die erfindungsgemäßen Grundgedanken auch bei anderen Meßgebern, die nicht notwendigerweise faseroptische Meßgeber sind, noch deren Meßgrößen Wege bzw. Wegänderungen sein müssen, anwendbar sind.The four exemplary embodiments described below are concerned around fiber optics without restricting the general inventive concept cal encoder. With fiber-optic sensors, the above come spoke and be explained in more detail below advantages of the invention especially to wear. However, no further explanation is required that the The basic idea of the invention also in other sensors that are not fiber optic sensors are necessarily, nor are their measured variables paths or path changes must be applicable.
Weiter arbeiten ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens die in den Fig. 1 bis 3 dargestellen Ausführungsbeispiele als polari sationsoptische Interferometer und das in Fig. 4 dargestelle Ausfüh rungsbeispiel als Michelson-Interferometer. Selbstverständlich können aber auch andere Interferometrie-Prinzipien Verwendung finden.Further work without limiting the general inventive concept, the exemplary embodiments shown in FIGS . 1 to 3 as polarization-optical interferometers and the exemplary embodiment shown in FIG. 4 as Michelson interferometers. Of course, other principles of interferometry can also be used.
Sämtlichen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß das Licht einer Lichtquelle 1 mittels eines Y-Kopplers 2 in einen Lichtwellenleiter (Fa ser) 3 eingekoppelt wird. Am licht-austrittseitigen Ende des Lichtwel lenleiters, das sich in einem Sensorkopf S befindet, tritt das Licht in ein Interferometer ein, das für die einzelnen Ausführungsbeispiele wei ter unten näher beschrieben wird.All of the exemplary embodiments have in common that the light from a light source 1 is coupled into an optical waveguide (Fa water) 3 by means of a Y-coupler 2 . At the light exit end of the optical waveguide, which is located in a sensor head S , the light enters an interferometer, which is described in more detail below for the individual exemplary embodiments.
Das interferierende Licht wird wieder in den Lichtwellenleiter 3 einge koppelt, tritt aus dem Y-Koppler 2 aus und trifft auf eine Lichtemp fangseinrichtung 7 mit nachgeschalteter Auswertelektronik 8 auf.The interfering light is coupled back into the optical waveguide 3 , emerges from the Y-coupler 2 and strikes a light-receiving device 7 with downstream evaluation electronics 8 .
Ferner sind senderseitig und/oder empfängerseitig Scanning-Einheiten a bzw. b vorgesehen, mit denen die gesendete bzw. die empfangene Lichtfre quenz variierbar ist, und die ebenfalls nachfolgend noch beschrieben werden.Furthermore, scanning units a and b are provided on the transmitter and / or receiver side, with which the transmitted or received light frequency can be varied, and which are also described below.
Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich insbesondere durch den Aufbau der jeweils verwendeten Interferome ter.The embodiments shown in FIGS. 1 to 4 differ in particular by the structure of the interferome used in each case.
So weist das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einen Polarisa tor-Analysator 41, einen doppelbrechenden Kristall 51, beispielsweise einen Quarzkeil, einen Quarzkompensator, einen Calcitkompensator usw., dessen Stellung in Richtung eines Pfeils x mit der zu messenden Größe korreliert ist, sowie einen Spiegel 61 auf.The embodiment shown in FIG. 1 has a polarizer analyzer 41 , a birefringent crystal 51 , for example a quartz wedge, a quartz compensator, a calcite compensator, etc., the position of which in the direction of an arrow x is correlated with the size to be measured, and one Mirror 61 on.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist dagegen einen Polarisator-Analysator 42, einen polarisierenden Strahlteiler 52, der gegenüber dem Polarisator-Analysator um 45° gedreht ist, einen Glaskeil 62, dessen Verschiebung in Richtung des Pfeils x mit der zu messenden Größe korreliert ist, sowie Spiegel 62 1 und 62 2 in den Strahlengän gen des Strahlteilers 52 auf. The exemplary embodiment shown in FIG. 2, on the other hand, has a polarizer analyzer 42 , a polarizing beam splitter 52 which is rotated 45 ° with respect to the polarizer analyzer, a glass wedge 62 , the displacement of which in the direction of arrow x is correlated with the size to be measured , as well as mirrors 62 1 and 62 2 in the ray passages of the beam splitter 52 .
Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind eben falls ein Polarisator-Analysator 43 und ein polarisierender Strahlteiler 53 vorhanden, dessen Polarisationsebene um 45° gegenüber dem Polarisa tor-Analysator 43 gedreht ist. Ferner sind eine in Richtung eines Pfeils drehbare Glasplatte 63 sowie Endspiegel 63 1 und 63 2 in den beiden Strahlengängen des Strahlteilers 53 vorhanden.In the third exemplary embodiment shown in FIG. 3, a polarizer analyzer 43 and a polarizing beam splitter 53 are also present, the polarization plane of which is rotated by 45 ° with respect to the polarizer analyzer 43 . Furthermore, a glass plate 63 rotatable in the direction of an arrow and end mirrors 63 1 and 63 2 are present in the two beam paths of the beam splitter 53 .
Der Drehwinkel der planparallelen Glasplatte 63 ist mit der zu messenden Größe korreliert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zu mes sende physikalische Größe ebenfalls eine Verschiebung in Richtung des Pfeils x. Hierzu ist die drehbare Glasplatte 63 an einem nur schematisch dargestellten in Richtung des Pfeils x verschiebbar geführten Element drehbar angelenkt.The angle of rotation of the plane-parallel glass plate 63 is correlated with the size to be measured. In the embodiment shown, the physical quantity to be measured is also a shift in the direction of the arrow x . For this purpose, the rotatable glass plate 63 is rotatably articulated on an element which is only shown schematically and can be moved in the direction of the arrow x .
Während die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele polarisations optische Interferometer beinhalten, kommt bei dem in Fig. 4 dargestell ten vierten Ausführungsbeispiel ein Michelson-Interferometer zum Ein satz. Dieses besteht aus einem Strahlteiler 44, einem in Richtung des Pfeils x verschiebbaren Glaskeil 54, dessen Verschiebung mit der zu mes senden physikalischen Größe korreliert ist, sowie Endspiegeln 64 1 und 64 2 in den beiden Strahlengängen nach dem Strahlteiler 44.While the exemplary embodiments described above include polarization-optical interferometers, a Michelson interferometer is used in the fourth exemplary embodiment shown in FIG. 4. This consists of a beam splitter 44 , a glass wedge 54 which can be displaced in the direction of the arrow x , the displacement of which is correlated with the physical variable to be measured, and end mirrors 64 1 and 64 2 in the two beam paths after the beam splitter 44 .
Im folgenden soll die Funktionsweise der vorstehend erläuterten Ausfüh
rungsbeispiele beschrieben werden:
Im Falle der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten polarisationsoptischen
Interferometer wird der Einfluß der Meßgröße "Weg" auf die differentiel
le Phase σ und somit auf den Polarisationszustand gemessen. Durchlau
fen die beiden orthogonalen Polarisationsmoden einer linear polarisier
ten Lichtwelle der Wellenlänge verschiedene optische Wege bzw. verschie
dene optische Medien mit Brechungsindizes n 1 und n 2, z. B. einen
doppelbrechenden Kristall, erfahren sie eine differentielle Phasenände
rung.
The mode of operation of the exemplary embodiments explained above is described below:
In the case of the polarization-optical interferometer shown in FIGS . 1 to 3, the influence of the measured variable "path" on the differentiel le phase σ and thus on the polarization state is measured. Pass through the two orthogonal polarization modes of a linearly polarized light wave of wavelength different optical paths or various optical media with refractive indices n 1 and n 2 , e.g. B. a birefringent crystal, they experience a differential phase change tion.
σ=K Δ (ln) k = 2π/λ (1) σ = K Δ (ln) k = 2 π / λ (1)
Δ (ln) = Δ ln + 1Δ n (2) Δ (ln) = Δ ln + 1 Δ n (2)
Nach dem Durchgang durch einen zweiten Polarisator ist die Intensität I After passing through a second polarizer, the intensity is I
I = I₀ sin² σ/2 (3) I = I ₀ sin² σ / 2 (3)
wobei I₀ die Eingangsintensität ist. Die Intensitätsänderung ist damit von den Parametern 1, n, λ abhängig. Wenn sich die Frequenz der an kommenden Lichtwelle zeitlich ändert, erhält man ein zeitlich sich än derndes Ausgangssignal.where I ₀ is the input intensity. The change in intensity is therefore dependent on the parameters 1 , n , λ . If the frequency of the incoming light wave changes over time, you get a time-changing output signal.
I = I₀/2 * (1 - cos 2 πΔ (ln) λ (t) (4) I = I ₀ / 2 * (1 - cos 2 πΔ (ln) λ (t) (4)
Die Änderung von λ(t) soll derart geschehen, daß λ bei der Zentral wellenlänge λ 0 in einem kleinen Bereich schwingt (Δ λ « λ o).The change in λ (t) should be such that λ oscillates in a small range at the central wavelength λ 0 ( Δ λ « λ o ).
Für eine lineare Zeitabhängigkeit (Δ λ = at) erhält man:For a linear time dependency ( Δ λ = at) one obtains:
λ = λ₀ ± Δλ (5) λ = λ ₀ ± Δλ (5)
I = I₀/2 * (1 - cos 2 πΔ (ln)/Δ₀ * (1 - at/Δ₀)) (6) I = I ₀ / 2 * (1 - cos 2 πΔ (ln) / Δ ₀ * (1 - at / Δ ₀)) (6)
Neben einem Gleichlichtanteil, der prinzipiell durch Messung des Quadra tursignals und Differenzbildung oder durch Filterung eliminiert werden kann, ergibt sich ein oszillierendes Signal mit der Frequenz f und mit der Phase R.In addition to a constant light component, which in principle can be eliminated by measuring the Quadra tursignal and difference formation or by filtering, there is an oscillating signal with the frequency f and with the phase R.
f = Δ (ln)a/λ₀² (7) f = Δ (ln) a / λ ₀² (7)
R = 2 πΔ (ln)/λ₀ (8) R = 2 πΔ (ln) / λ ₀ (8)
Grundsätzlich läßt sich damit aus der gemessenen Signalfrequenz f, oder aus der Phase R eine Information über 1 gewinnen. Das Entscheidende ist dabei, daß die Frequenz f eindeutig einer Länge 1 zugeordnet ist und umgekehrt. Es gibt keine Periodizität wie bei der Phasenmessung. Die Be dingung, daß mindestens eine volle Schwingung vorliegt, lautet:Basically, information about 1 can be obtained from the measured signal frequency f or from the phase R. The decisive factor is that the frequency f is uniquely assigned to a length 1 and vice versa. There is no periodicity like with phase measurement. The condition that there is at least one full vibration is:
Δλ < λ₀²/Δ (ln) (9) Δλ < λ ₀² / Δ (ln) (9)
Daraus ergeben sich sehr hohe, im GHz-Bereich liegende Frequenzverschie bungen, womit Bragg-Zellen zur Frequenz- bzw. Wellenlängenverschiebung ausscheiden.This results in very high frequency differences in the GHz range Exercises, with which Bragg cells for frequency or wavelength shift retire.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Michelson-Interferometer ergeben sich prinzipiell ähnliche Gleichungen für die Intensitätsmodulation.In principle, similar equations for the intensity modulation result in the Michelson interferometer shown in FIG. 4.
Bei dem erfindungsgemäßen Meßgeber kann entweder die Frequenz oder die Phase zur Messung der zu messenden physikalischen Größe bestimmt werden:In the transducer according to the invention, either the frequency or the Phase for measuring the physical quantity to be measured can be determined:
a) Frequenzmessung:
f = Δ (ln) a/λ₀²a) Frequency measurement:
f = Δ (ln) a / λ ₀²
Zum Beispiel erhält man für I = 1 cm, Δ n = 0.5 (Luft-Glas), λ 0 = 800 nm, a = 100 nm/sec eine Frequenz von f = 800 Hz. Für die Genauigkeit bzw. Stabilität der Messung ist wichtig, daß a extrem kon stant und n von Parametern wie Temperatur, Druck usw. nicht abhängt. Für den Fehler Δ1 ergibt sich, wenn die Frequenz mit der Genauigkeit Δ f/f gemessen wird.For example, for I = 1 cm, Δ n = 0.5 (air-glass), λ 0 = 800 nm, a = 100 nm / sec, a frequency of f = 800 Hz is obtained. The accuracy or stability of the measurement is important that a extremely constant and n does not depend on parameters such as temperature, pressure etc. For the error Δ 1, the result is if the frequency is measured with the accuracy Δ f / f.
Δ l f = 1 * Δ f/f (10) Δ l f = 1 * Δ f / f (10)
b) Phasenmessung:
R = 2 πΔ (ln)/λ₀b) Phase measurement:
R = 2 πΔ (ln) / λ ₀
R = 2 s entspricht damit einer Länge von λ 0/Δ n; das ist die ent sprechende Länge eines doppelten Hell-Dunkelüberganges in einer Inter ferometeranordnung. R = 2 s thus corresponds to a length of λ 0 / Δ n ; this is the corresponding length of a double light-dark transition in an interferometer arrangement.
Für den Fehler Δ l R bei der Phasenmessung ergibt sich:For the error Δ l R in the phase measurement:
Bei der Phasenmessung ist der Fehler in I ca. 10-2 mal kleiner als bei der Frequenzmessung, vorausgesetzt, Δ f und Δ R sind äquivalent bzw. beide Male gleich (Δ R/2π=Δ f/f).With phase measurement, the error in I is approx. 10 -2 times smaller than with frequency measurement, provided that Δ f and Δ R are equivalent or both times the same ( Δ R / 2 π = Δ f / f).
Da das wesentliche Element des erfindungsgemäßen Meßgebers eine durch stimmbare Lichtquelle bzw. ein durchstimmbarer Lichtempfänger ist, durch den eine absolute Wegmessung möglich ist, sollen im folgenden technische Lösungsmöglichkeiten für derartige Lichtquellen bzw. Lichtempfänger er läutert werden. Diese Elemente sind in den Figuren schematisiert mit a bzw. b dargestellt.Since the essential element of the transducer according to the invention is a tunable light source or a tunable light receiver through which an absolute path measurement is possible, technical solutions for such light sources or light receivers are explained below. These elements are shown schematically in the figures with a and b .
Im Folgenden wird ein Verfahren zur senderseitigen und empfängerseitigen Durchstimmung der Wellenlänge beschrieben:The following is a procedure for the transmitter side and the receiver side Tuning the wavelength described:
In jüngster Zeit werden von verschiedenen Stellen Anstrengungen unter nommen, wellenlängendurchstimmbare Halbleiterlaser zu entwickeln. Derar tige Laser werden in der Datenübertragungstechnik z. B. für das Wellen längenmultiplexen benötigt. Für das vorgeschlagene Verfahren müßte der Laser eine Bandbreite von ca. 0,1 nm und einen Durchstimmbereich von ei nigen Nanometern aufweisen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Scan geschwindigkeit. Sie sollte in der Größenordnung von 100 nm/sec liegen, um ausreichend hohe Frequenzen bzw. Frequenzänderungen des Detektorsig nals zu erhalten. Recently, efforts have been made by various agencies to develop wavelength-tunable semiconductor lasers. Derar term lasers are used in data transmission technology e.g. B. for the waves length multiplexing required. For the proposed procedure the Laser has a bandwidth of approx. 0.1 nm and a tuning range of egg few nanometers. Another important factor is the scan speed. It should be on the order of 100 nm / sec around sufficiently high frequencies or frequency changes of the detector to get nals.
Eine relativ breitbandige Lichtquelle (Δ λ ∼ 5-10 nm), z. B. LED, wird in einer Einrichtung schmalbandig gefiltert. Zusätzlich ist die Möglichkeit gegeben, diese schmalbandige Linie über den Bereich Δ λ zu verschieben, d. h. den Bereich Δ λ kontinuierlich durchzuscannen. Prin zipiell läßt sich das mit geeignet bewegten Gittern, Prismen oder Fabry-Perot-Interferometern erreichen. Lösungen mit Gittern und Prismen haben den Nachteil, daß sie mechanisch nur sehr aufwendig zu realisieren sind. Aus dem Grund wird auf diese Verfahren nicht näher eingegangen. Mit einem piezoelektrisch gesteuerten "central-spot scanning Fabry-Perot", bei dem ein linearer Zusammenhang zwischen der Wellenlän genverschiebung σ λ und Δ x (Δ x ist Abstand der Platten) besteht, ist die Forderung einer linearen Durchstimmung der Wellenlänge einfach zu realisieren. Der freie Spektralbereich (Δ λ) fsr ist dabei so zu wählen, daß er innerhalb von Δ λ liegt und die spektrale Breite γ (γ ├ Δλ ist der geforderten Kohärenzlänge anzupassen. Die Kohärenzlänge (l coh = λ₀²/γ) hängt vom Meßbereich des Sensors ab.A relatively broadband light source ( Δ λ ∼ 5-10 nm), e.g. B. LED, is narrowband filtered in a facility. In addition, there is the possibility of shifting this narrow-band line over the range Δ λ , ie continuously scanning the range Δ λ . In principle, this can be achieved with appropriately moved grids, prisms or Fabry-Perot interferometers. Solutions with gratings and prisms have the disadvantage that they can be implemented mechanically only with great effort. For this reason, these procedures are not dealt with in more detail. With a piezoelectrically controlled "central-spot scanning Fabry-Perot", in which there is a linear relationship between the wavelength shift σ λ and Δ x ( Δ x is the distance between the plates), the requirement for linear tuning of the wavelength can be easily realized. The free spectral range ( Δ λ ) fsr should be selected so that it lies within Δ λ and the spectral width γ ( γ ├ Δλ is to be adjusted to the required coherence length. The coherence length (l coh = λ ₀² / γ ) depends on the measuring range of the sensor.
Eine weitere Möglichkeit der Wellenlängendurchstimmung bieten die in jüngster Zeit verfügbaren akustooptischen Filter (z. B. Matsushita Electric). Diese Filter können wie ein Gitter bei hoher Geschwindigkeit und ohne mechanische Teile aus weißem Licht monochromatisches Licht he rausfiltern. Die prinzipielle Funktion besteht darin, daß durch Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Signals der Kristall nur Licht einer bestimmten Wellenlänge durchläßt. Zwischen angelegter Hochfrequenz und durchgelassener Wellenlänge besteht ein direkter Zusammenhang, so daß durch Sweepen mit der Hochfrequenz der Wellenlängenbereich Δ λ genügend schnell durchgescannt werden kann. Die Problematik dieses Verfahrens liegt in der Auflösung. Zur Zeit liegt diese bei 0,5 nm, so daß sich nur Kohärenzlängen im mm-Bereich ergeben.Another option for wavelength tuning is provided by the recently available acousto-optical filters (e.g. Matsushita Electric). These filters can filter out monochromatic light from white light like a grid at high speed and without mechanical parts. The basic function is that by applying a high-frequency electrical signal, the crystal only allows light of a certain wavelength to pass through. Between the applied high frequency and wavelength of transmitted is a direct relationship so that it can be scanned by sweeping with the high frequency, the wavelength range Δ λ fast enough. The problem with this procedure lies in the resolution. It is currently 0.5 nm, so that there are only coherence lengths in the mm range.
Auf der Empfängerseite gibt es die Möglichkeit, die Verfahren unter 1b anzuwenden. Die breitbandige Sendelichtquelle wird nicht vor dem eigent lichen Sensor gefiltert bzw. gescannt, sondern erst nach dem Sensorkopf, unmittelbar vor dem Photoempfänger. Es läßt sich zeigen, daß diese An ordnung äquivalent ist zu dem Verfahren unter 1b. Die Frequenz und die Phase des Detektorsignals hängen in der gleichen Weise von den Sensorpa rametern Δ, l, n, a ab.On the recipient side there is the possibility to apply the procedures under 1b. The broadband transmission light source is not filtered or scanned in front of the actual sensor, but only after the sensor head, directly in front of the photo receiver. It can be shown that this arrangement is equivalent to the procedure under 1b. The frequency and the phase of the detector signal depend in the same way on the sensor parameters Δ , l, n, a .
f = Δ (ln) · a/λ₀²
R = 2 πΔ (ln)/λ₀ f = Δ (ln) · a / λ ₀²
R = 2 πΔ (ln) / λ ₀
Claims (12)
- - die Frequenz der Lichtquelle oder die Frequenz des Lichts, das die Lichtempfangseinrichtung registriert, variiert kontinuierlich in einem bestimmten Frequenzbereich,
- - die Lichtempfangseinrichtung mißt die Intensität des Lichts in Zuord nung zur Frequenz,
- - die Auswerteeinheit bestimmt aus der Abhängigkeit des Ausgangssignals der Lichtempfangseinrichtung von der Frequenz des registrierten Lichts die zu messende Größe.
- the frequency of the light source or the frequency of the light which the light receiving device registers varies continuously in a specific frequency range,
- the light receiving device measures the intensity of the light in association with the frequency,
- - The evaluation unit determines the size to be measured from the dependence of the output signal of the light receiving device on the frequency of the registered light.
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