DE3820912A1

DE3820912A1 - Fibre-optical sensor system

Info

Publication number: DE3820912A1
Application number: DE19883820912
Authority: DE
Inventors: Michael Jost
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1989-12-28

Abstract

A fibre-optic sensor system having a light guide, on whose receiver-side end a light signal is introduced, and on whose other, sensor-side end a transmitter sends back a light measuring signal directed onto the receiver and having data corresponding to the measured variable to be detected, the sensor reflects at least a defined part of the light signal as a light measuring signal and, corresponding to the measured variable, attenuates and sends out additionally a reference signal whose attenuation over the optical waveguide is determined by means of the receiver. From the determinable attenuation of the reference signal, the unknown attenuation influencing the data content of the light measuring signal is thus determined and enables an exact determination of the measured value of interest.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein fiberoptisches Sensorsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a fiber optic Sensor system according to the preamble of patent claim 1.

Bei einem derartigen, aus der EP-53 790 A bekannten System wird mit Hilfe des aus einer Serie von Lichtimpulsen bestehenden Lichtsignals ein Energiespeicher im Sensor geladen. Der Sensor sendet Licht mit einer gegenüber dem Lichtsignal veränderten Wellenlänge zurück, das entsprechend der Meßgröße moduliert ist.In such a known from EP-53 790 A. System is made using a series of Light pulses existing light signal Energy storage loaded in the sensor. The sensor sends Light with a changed compared to the light signal Wavelength back, according to the measured variable is modulated.

Ein derartiger Sensor ist aufwendig, da er sowohl einen Energiespeicher als auch einen Frequenzwandler erfordert. Darüber hinaus ergeben sich bei einer speziellen und sich durch geringen Aufwand auszeichnende Form der Informationsvermittlung durch die im Lichtleiter auftretende Dämpfung erheblicher Probleme. Es handelt sich dabei um die Information zur Übertragung mit Hilfe einer Amplitudenmodulation, bei der die Intensität des Lichtmeßsignals entsprechend der Meßgröße eingestellt ist. Durch die Dämpfung im Lichtleiter kommt es nun zu einer zusätzlichen Beeinträchtigung der Intensität der am Ort des Empfängers auftretenden Intensität. Da die durch den Lichtleiter bedingte Dämpfung für verschiedene Lichtleiter extremen Streuungen unterliegen kann, ist das bekannte Sensorsystem somit für die Informationsübertragung mit Hilfe einer Amplitudenmodulation nicht mit ausreichender Genauigkeit einsetzbar.Such a sensor is complex because it has both one Energy storage as well as a frequency converter required. In addition, with a special and characterized by little effort Form of information transfer by the im Optical fiber attenuation of significant problems. It is the information for transmission with the help of an amplitude modulation, in which the Intensity of the light measurement signal according to the measured variable is set. Due to the damping in the light guide there is now an additional impairment of the Intensity of those occurring at the recipient's location Intensity. Because that caused by the light guide Attenuation for various light guides extreme This can be subject to scattering Sensor system thus for information transfer with With the help of an amplitude modulation not sufficient Accuracy can be used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fiberoptisches Sensorsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine korrekte Bestimmung der Meßgröße ermöglicht und das sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet.The invention is based on the object fiber optic sensor system of the type mentioned to create a correct determination of the measurand made possible and that by a simple and low-cost construction.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.The invention solves this problem by characterizing features of claim 1.

Mit Hilfe des Referenzsignals wird die Dämpfung des Lichtleiters bestimmt. Damit kann die für das Lichtmeßsignal durch den Lichtleiter hervorgerufene Dämpfung und die Meßgröße aus der am Ort des Empfängers aufgenommenen Intensität des Lichtmeßsignals bestimmt werden.With the help of the reference signal, the damping of the Optical fiber determined. So that for the Lichtmeßsignal caused by the light guide Attenuation and the measurand from the location of the receiver recorded intensity of the light measurement signal determined will.

Die besonderen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung beschäftigen sich mit dem Referenzsignal. Dieses kann für sich am sensorseitigen Ende des Lichtleiters erzeugt und eingekoppelt werden. Es kann aber auch ebenfalls am empfängerseitigen Ende des Lichtleiters eingekoppelt werden und über den Lichtleiter zum Sensor und von diesem zum Empfänger zurück laufen. Zur Unterscheidung vom Lichtmeßsignal ist es dabei möglich, für das das Lichtmeßsignal einerseits und das Referenzsignal andererseits eine unterschiedliche Wellenlänge zu wählen.The special designs and developments of the Invention deal with the reference signal. This can be at the sensor end of the Optical fiber generated and coupled. It can but also also at the receiver end of the Optical fiber can be coupled in and over the Optical fiber to the sensor and from this to the receiver run back. To distinguish it from the light measurement signal it is possible for the light measurement signal on the one hand and on the other hand the reference signal is one to choose different wavelength.

Im Falle unterschiedlicher Wellenlänge kann mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels das Referenzsignal im Sensor reflektiert werden. Der Spiegel besitzt zweckmäßigerweise die Eigenschaft, daß er für die Wellenlänge des Lichtsignals bzw. Lichtmeßsignals transmissiv und für die des Referenzsignals reflektiv ist. Eine bei unterschiedlichen Wellenlängen auftretende wellenlängenabhängige Dämpfung kann berücksichtigt werden, da diese unabhängig von der Streubreite der Dämpfungseigenschaften unterschiedlicher Lichtleiter ggf. einen definierten Wert besitzt.In case of different wavelength you can use of a dichroic mirror the reference signal in Sensor are reflected. The mirror owns expediently the property that he for the Wavelength of the light signal or light measurement signal transmissive and reflective for that of the reference signal is. One that occurs at different wavelengths wavelength-dependent attenuation can be taken into account as these are independent of the spread of the Damping properties of different light guides possibly has a defined value.

Eine Alternative hierzu besteht darin, das Lichtsignal im Sensor aufzuspalten und einen Teil als Referenzsignal auf den Empfänger zurückzuschicken, während der andere Teil entsprechend der Meßgröße moduliert zurückgesandt wird. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, einen Laufzeitunterschied für die beiden reflektierten Signale vorzusehen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Lichtmeßsignal einen optisch längeren Weg als das Referenzsignal durchläuft.An alternative to this is the light signal split in the sensor and part as a reference signal to send back to the recipient while the other Part returned modulated according to the measurand becomes. In this case it may be useful to have one Runtime difference for the two reflected signals to provide. This can be achieved, for example, by the light measuring signal an optically longer way than passes through the reference signal.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigtIn the drawing, an embodiment of the Invention shown. It shows

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen fiberoptischen Sensorsystems, Fig. 1 shows the basic structure of a fiber optical sensor system according to the invention,

Fig. 2 eine Alternative zum Aufbau von Fig. 1, Fig. 2 shows an alternative to the construction of Fig. 1,

Fig. 3 eine erweiterte Anwendung des Systems von Fig. 2, Fig. 3 is an extended application of the system of Fig. 2,

Fig. 4 den Aufbau einer kompletten Baueinheit für Empfänger und Quellen der verwendeten Lichtstrahlen. Fig. 4 shows the structure of a complete unit for receivers and sources of the light beams used.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist ein Sensor 1 als Teil eines fiberoptischen Sensorsystems an einer beliebigen Stelle eines Kraftfahrzeugs angeordnet und dient dazu, eine Meßgröße zu einer Zentrale zu übertragen. Bei der Meßgröße kann es sich um eine beliebige physikalische Größe, wie Druck, Temperatur usw. oder eine davon abgeleitete, beispielsweise durch Integration oder Differentiation gewonnene Größe handeln. Die Zentrale kann beispielsweise ein Steuergerät sein, das einem Aggregat des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise der Bremsanlage, der Brennkraftmaschine oder dem Getriebe zugeordnet ist.In the exemplary embodiment in FIG. 1, a sensor 1 is arranged as part of a fiber-optic sensor system at any point in a motor vehicle and is used to transmit a measured variable to a control center. The measured variable can be any physical variable, such as pressure, temperature, etc., or a variable derived therefrom, for example obtained by integration or differentiation. The control center can be, for example, a control unit that is assigned to an assembly of the motor vehicle, such as the brake system, the internal combustion engine or the transmission.

In der Zentrale ist eine Sender-/Empfänger-Einheit 2 angeordnet, die über einen Lichtleiter 3 mit dem Sensor 1 verbunden ist. Die Einheit 2 enthält einen Sender für ein Lichtsignal einer ersten Wellenlänge λ1 sowie für ein Referenzsignal mit einer davon verschiedenen Wellenlänge λ2. Lichtsignal und Referenzsignal werden gleichzeitig oder hintereinander auf den Lichtleiter 3 gegeben.A transmitter / receiver unit 2 is arranged in the control center and is connected to the sensor 1 via an optical fiber 3 . The unit 2 contains a transmitter for a light signal with a first wavelength λ 1 and for a reference signal with a different wavelength λ 2. The light signal and reference signal are applied to the light guide 3 simultaneously or in succession.

Im Sensor 1 befindet sich ein Prisma 4, das das eintreffende Licht entsprechend seiner Wellenlänge unterschiedlich aufspaltet. Dabei gelangt das Lichtsignal (λ1) zu einem Modulator 5, der dieses Lichtsignal entsprechend der Meßgröße dämpft und als Lichtmeßsignal auf demselben Weg wie das Lichtsignal zurückschickt. Über das Prisma 4 und den Lichtleiter 3 gelangt das Lichtmeßsignal somit zur Sender-/ Empfänger-Einheit 2, in der seine Intensität bestimmt wird.In the sensor 1 there is a prism 4 , which splits the incoming light differently according to its wavelength. The light signal ( λ 1) arrives at a modulator 5 , which attenuates this light signal in accordance with the measured variable and sends it back as a light measurement signal in the same way as the light signal. Via the prism 4 and the light guide 3 , the light measurement signal thus reaches the transmitter / receiver unit 2 , in which its intensity is determined.

Das Referenzsignal (λ2) wird durch das Prisma unterschiedlich abgelenkt und gelangt auf einen Spiegel 6, der das Referenzsignal unverändert reflektiert und auf demselben Weg zurückschickt. Auch dieses gelangt über das Prisma 4 und den Lichtleiter 3 zur Einheit 2. Anhand der Dämpfung des mit bekannter Intensität von der Einheit 2 ausgesandten und dort wieder empfangenen Referenzsignals ergibt sich die Dämpfung durch den Lichtleiter. Diese Dämpfung oder eine damit in bekannter Weise aufgrund der unterschiedlichen Wellenlänge zusammenhängende Dämpfung wirkt sich auch auf die Dämpfung aus, die das Lichtsignal bzw. Lichtmeßsignal beim Durchlaufen der Strecke von der Einheit 2 zum Sensor 1 und zurück erfährt. Diese Dämpfung überlagert die durch den Modulator 5 vorgenommene Dämpfung. Anhand der Intensität des Lichtmeßsignals, die in der Einheit 2 bestimmt wird, ergibt sich somit eine eindeutige Aussage über die durch den Modulator 5 vorgenommene Dämpfung und damit über die zu bestimmende Meßgröße. Auf diese Weise ist es möglich, die für jeden Lichtleiter nicht vorhersehbare individuelle und in einem weiten Rahmen mögliche Dämpfung, die ein Lichtsignal auf dem Weg von der Einheit 2 zum Sensor 1 bzw. zurück erfährt, zu bestimmen und entsprechend zu eliminieren.The reference signal ( λ 2) is deflected differently by the prism and reaches a mirror 6 , which reflects the reference signal unchanged and sends it back in the same way. This also reaches the unit 2 via the prism 4 and the light guide 3 . On the basis of the attenuation of the reference signal emitted with a known intensity by the unit 2 and received there again, the attenuation by the light guide results. This damping or a damping associated therewith in a known manner due to the different wavelength also has an effect on the damping which the light signal or light measuring signal experiences when it travels the distance from the unit 2 to the sensor 1 and back. This damping is superimposed on the damping performed by the modulator 5 . Based on the intensity of the light measurement signal, which is determined in the unit 2 , there is a clear statement about the damping performed by the modulator 5 and thus about the measurement variable to be determined. In this way it is possible to determine the individual attenuation, which is not predictable for each light guide and is possible within a wide range and which experiences a light signal on the way from the unit 2 to the sensor 1 or back, and to eliminate it accordingly.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist anstelle des Prisma 4 ein dichroitischer Spiegel 7 vorgesehen, der für das Referenzsignal reflektiv und für das Lichtsignal bzw. Lichtmeßsignal transmissiv ist. Auf diese Weise wird der apparative Aufwand verringert und ein sehr kompakter Sensor 1′ erzielt.In the embodiment of FIG. 2, a dichroic mirror 7 is provided instead of the prism 4 , which is reflective for the reference signal and transmissive for the light signal or light measurement signal. In this way, the expenditure on equipment is reduced and a very compact sensor 1 'is achieved.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 3 sind mehrere Sensoren entsprechend dem Sensor 1 bzw. 1′ vorgesehen. Jedem dieser Sensoren ist ein Lichtsignal (Wellenlänge λ1) und ein Lichtmeßsignal (λ2) zugeführt. Das Lichtsignal stammt aus einer Sender-/Empfänger-Einheit 2′, das Referenzsignal aus einer entsprechenden Einheit 2′′. Vor dem Lichtleiter 3 befindet sich ein dichroitischer Spiegel 8 entsprechend dem Spiegel 7 von Fig. 2, über den auf jeden der Sensoren ein Lichtsignal und ein Referenzsignal geleitet ist. Jeder der Sensoren 1 bis n wird über einen Multiplexer 9 angesteuert, der jeden der Sensoren nacheinander mit dem Lichtleiter 3 verbindet. Über den Lichtleiter 3 gelangt dabei jeweils ein Lichtsignal und ein Referenzsignal der Einheiten 2′ bzw. 2′′ zum Multiplexer 9. In den Sensoren wird eine meßgrößenabhängige Dämpfung des Lichtsignals vorgenommen und ein entsprechendes Lichtmeßsignal reflektiert.In the embodiment of Fig. 3, a plurality of sensors corresponding to the sensor 1 or 1 'are provided. Each of these sensors is supplied with a light signal (wavelength λ 1) and a light measurement signal ( λ 2). The light signal comes from a transmitter / receiver unit 2 ', the reference signal from a corresponding unit 2 ''. In front of the light guide 3 there is a dichroic mirror 8 corresponding to the mirror 7 from FIG. 2, via which a light signal and a reference signal are directed to each of the sensors. Each of the sensors 1 to n is controlled by a multiplexer 9 which connects each of the sensors to the light guide 3 one after the other. A light signal and a reference signal of the units 2 'and 2 ''each pass through the light guide 3 to the multiplexer 9 . In the sensors, a measurement-dependent attenuation of the light signal is carried out and a corresponding light measurement signal is reflected.

Zusätzlich wird mit Hilfe eines Prismas entsprechend dem Prisma 4 von Fig. 1 bzw. mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels entsprechend dem Spiegel 7 von Fig. 2 das Referenzsignal reflektiert (nicht dargestellt) und zusammen mit dem Lichtmeßsignal über den Lichtleiter 3 zum Spiegel 8 zurückgesandt. Das Lichtmeßsignal durchquert den Spiegel 8 und gelangt zur Einheit 2′′ in der dessen Intensität bestimmt wird. Das Referenzsignal wird im Spiegel 8 reflektiert und gelangt zur Einheit 2′, in der ebenfalls dessen Intensität bestimmt ist. Damit wird es möglich, mit einer Anordnung entsprechend Fig. 1 bzw. Fig. 2 und eines zusätzlich vorgesehenen Multiplexers 9 mehrere Sensoren 1 bis n sukzessive abzufragen und die von diesen gelieferten Meßwerte der Reihe nach zu bestimmen.In addition, the reference signal is reflected (not shown) with the aid of a prism corresponding to the prism 4 of FIG. 1 or with the aid of a dichroic mirror corresponding to the mirror 7 in FIG. 2 and is sent back to the mirror 8 together with the light measurement signal via the light guide 3 . The light measurement signal passes through the mirror 8 and arrives at the unit 2 '' in which the intensity is determined. The reference signal is reflected in the mirror 8 and reaches the unit 2 ', in which its intensity is also determined. This makes it possible, with an arrangement corresponding to FIG. 1 or FIG. 2 and an additionally provided multiplexer 9, to successively interrogate a plurality of sensors 1 to n and to determine the measured values supplied by them in sequence.

Schließlich ist in Fig. 4 der konstruktive Aufbau der Einheit 2 von Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Einheit enthält Laserdioden D 1 und D 2, die das Lichtsignal mit der Wellenlänge λ1 bzw. das Referenzsignal mit der Längenwelle λ2 erzeugen. Ferner eine Empfangsdiode D 3 zur Bestimmung der Sendeintensität von D 1 und D 2, sowie ein Empfangsdiode D 4 zur Bestimmung der Intensität des Lichtmeßsignals und des ankommenden Referenzsignals. Hierzu befinden sich zwei teildurchlässige Spiegel S 1 und S 2 im Strahlengang zwischen den Dioden und dem Lichtleiter 3. Eine Linse L 1 dient zur Kopplung zwischen der Einheit 2 und dem Lichtleiter 3. Finally, the structural design of the unit 2 of FIGS. 1 and 2 is shown in FIG. 4. The unit contains laser diodes D 1 and D 2 , which generate the light signal with the wavelength λ 1 and the reference signal with the length wave λ 2. Furthermore, a receiving diode D 3 for determining the transmission intensity of D 1 and D 2 , and a receiving diode D 4 for determining the intensity of the light measurement signal and the incoming reference signal. For this purpose, two partially transparent mirrors S 1 and S 2 are located in the beam path between the diodes and the light guide 3 . A lens L 1 is used for coupling between the unit 2 and the light guide 3 .

D 1 und D 2 senden zu verschiedenen Zeiten das Lichtsignal bzw. das Referenzsignal aus. Ihre Intensität wird über D 3 ermittelt. Die Intensität der vom Sensor reflektierten und im Falle des Lichtmeßsignals amplitudenmodulierten Lichtimpulse des Referenz- und des Lichtmeßsignals werden über D 4 bestimmt. Die Dämpfung des Lichtmeßsignals durch den Lichtleiter ergibt sich aus der Differenz der Intensitäten des Referenzsignals, die mit den Empfangsdioden D 3 und D 4 bestimmt werden. D 1 and D 2 emit the light signal and the reference signal at different times. Their intensity is determined via D 3 . The intensity of the light pulses of the reference signal and the light measurement signal reflected by the sensor and amplitude-modulated in the case of the light measurement signal are determined via D 4 . The attenuation of the light measurement signal by the light guide results from the difference in the intensities of the reference signal, which are determined with the receiving diodes D 3 and D 4 .

Claims

1.Fiber-optical sensor system with a light guide, at the receiver end of which a light signal is introduced and at the other end a transmitter as part of a sensor sends a light measurement signal directed to the receiver with an information content corresponding to the measured variable to be detected, characterized in that the sensor ( 1 ) At least a defined part of the light signal is reflected as a light measurement signal according to the measured variable and additionally emits a reference signal to the receiver ( 2 ), the attenuation of which is determined via the light guide ( 3 ) by means of the receiver.

2. System according to claim 1, characterized in that the reference signal the remaining and not damped part of the Light signal is.

3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the reference signal has a different wavelength ( λ 2) than the light signal ( λ 1).

4. System according to claim 3, characterized in that the reference signal is also initiated at the receiver end of the light guide ( 3 ) and reflected in the sensor ( 1 ).

5. System according to claim 4, characterized in that the sensor ( 1 ) contains a dichroic mirror ( 7 ) which is transmissive for the wavelength ( λ 1) of the light signal and reflective for that of the reference signal ( λ 2).

6. System according to claim 4 or 5, characterized in that the intensities of the reference signal and the light signal before entering the light guide ( 3 ) with a common receiver ( D 3 ) as part of a complete, on the light guide ( 3 ) coupled unit ( 2nd ) is determined, which also contains receiver ( D 4 ) and source (s) ( D 1 , D 2 ) of light signal and reference signal.