DE3920155C2

DE3920155C2 - Streckenneutrale optische Meßanordnung

Info

Publication number: DE3920155C2
Application number: DE19893920155
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Bartelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-06-20
Filing date: 1989-06-20
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2009-06-21
Also published as: DE3920155A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Die Messung einer physikalischen Meßgröße mit einer optischen Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen, die im wesentlichen darin liegen, daß ein optischer Meßwertaufnehmer von einer ihm zugeordneten elektrischen Steuer- und Auswerteeinheit galvanisch getrennt ist und daß sowohl der Meßwertaufnehmer selbst als auch die optische Übertragungsstrecke zur Steuer- und Auswerteeinheit unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder sind.

Optische Meßanordnungen sind beispielsweise aus "Laser und Optoelektronik, No. 3, 1983, Seiten 226 bis 234" bekannt. Dort ist beispielsweise ein optischer Temperatursensor offenbart, bei dem als Meßwertaufnehmer das verspiegelte Ende eines Multimode-Lichtwellenleiters mit seinem Kern in eine Flüssigkeit eingebettet ist, deren Brechzahl von der Temperatur abhängig ist. Je nach Brechzahl der Flüssigkeit tritt nun ein Teil des in den Meßwertaufnehmer eingekoppelten Lichtes in die Flüssigkeit aus und gelangt nicht mehr zu einem am anderen Ende der Faser angeordneten Lichtempfänger zurück. Die am Lichtempfänger gemessene Lichtintensität ist somit abhängig von der Temperatur in der Umgebung des Meßwertaufnehmers und kann zur Messung dieser Temperatur verwendet werden.

Aus der US-A-3 327 584 ist ein faseroptischer Abstandssensor bekannt mit einer Lichtübertragungsstrecke, die drei Faserbündel umfaßt. Die Fasern der drei Faserbündel sind an einem Sensorende der Übertragungsstrecke in ihrem Querschnitt parallel zueinander angeordnet. Ein mittleres Faserbündel ist an seinem anderen Ende mit einer Lichtquelle optisch gekoppelt. Die beiden anderen Faserbündel sind außerhalb des mittleren Faserbündels angeordnet und an ihrem jeweiligen anderen Ende jeweils mit einem Lichtempfänger optisch gekoppelt. Die Änderung der Lichtreflexion an einem von einem Ende eines der beiden anderen Faserbündel beabstandeten Medium wird an den Lichtempfängern für ein Abstandssignal ausgewertet, wobei mittels eines Reflektors, der an einem Ende des anderen der beiden anderen Faserbündel angeordnet ist, ein Referenzsignal gebildet wird.

Bei den bekannten optischen Meßanordnungen sind der temperaturabhängigen Veränderung der Intensität des Meßsignals zusätzlich umgebungsabhängige Übertragungsverluste der optischen Signalleitung aufgeprägt, die beispielsweise bei Lichtwellenleitern durch altersbedingten Verschleiß, Biegung sowie andere Umgebungsparameter wie z.B. Druck oder Temperatur hervorgerufen werden. Diese Übertragungsverluste können durch Referenzmessungen nur ungenügend kompensiert werden, da für die Referenzmessung stets ein Übertragungskanal gewählt werden muß, der sich entweder geometrisch, beispielsweise durch eine zusätzliche Referenzstrecke, oder optisch, beispielsweise durch eine Referenzmessung in einem vom Meßsignal unterschiedlichen Spektralbereich, unterscheidet.

Aus der DE 88 00 075 U1 ist eine Vorrichtung zum optischen Erfassen des Schaltzustandes eines Schaltgliedes bekannt mit einer Glasfaser, die an ihrem einen Ende über einen Strahlteiler einerseits an eine Lichtquelle und andererseits an einen Lichtdetektor optisch gekoppelt ist und an ihrem anderen Ende an einen Spiegel optisch gekoppelt ist, der im ersten Schaltzustand des Schaltgliedes am zugeordneten Glasfaserende anliegt und im zweiten Schaltzustand des Schaltgliedes von diesem Glasfaserende entfernt ist. Das in die Glasfaser vom Spiegel zurückreflektierte und vom Lichtempfänger empfangene Licht ist dabei ein direktes Maß für den Schaltzustand des Schaltgliedes. Die Glasfaser bildet eine bidirektionale Übertragungsstrecke. In einer besonderen Ausführungsform dieser bekannten Vorrichtung sind anstelle der einen Lichtquelle zwei Lichtquellen vorgesehen, die mit dem einen Ende der Glasfaser jeweils optisch gekoppelt sind und Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen aussenden. Die beiden Lichtquellen werden zeitlich abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Ferner ist die Endfläche des anderen Endes der Glasfaser mit einem weiteren, wellenlängenselektiven Spiegel versehen, so daß eines der beiden Lichtsignale transmittiert wird. Das von diesem wellenlängenselektiven Spiegel transmittierte Lichtsignal trifft auf den in seiner Position vom Schaltzustand des Schaltgliedes abhängigen Spiegel. Das an dem wellenlängenselektiven Spiegel reflektierte Lichtsignal dient dagegen als Referenzsignal, ob das Schaltglied angeschlossen oder defekt ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine optische Meßanordnung anzugeben, bei der die optische Messung einer physikalischen Meßgröße weitgehend unabhängig von Übertragungsverlusten in der optischen Übertragungsstrecke durchgeführt werden kann.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Verwendung eines optisch bistabilen Elementes mit definierten Schaltzu ständen kann eine Referenzstrecke mit nahezu identischen optischen Übertragungsstrecken realisiert werden. Das für die Referenzmessung verwendete optische Referenzsignal stimmt dabei hinsichtlich seiner spektralen Zusammensetzung mit dem Meßsignal überein, so daß die spektrale Abhängigkeit der Übertragungsverluste ebenfalls kompensiert werden kann. Die Erfindung macht dabei Gebrauch von der Tatsache, daß optische Schaltelemente hinsichtlich ihrer Transmissivität ein ausgeprägtes Schwellenverhalten zeigen. Solange die eingekoppelte Lichtintensität kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert, ist die Transmissivität gering und nur wenig Licht wird durchgelassen. Wird die Lichtintensität über den Schwellwert erhöht, so nimmt die Transmissivität sprungartig einen größeren Wert an und die Lichtintensität am Ausgang des optischen Schaltelementes nimmt ebenfalls entsprechend sprungartig zu. Solche optischen Schaltelemente können beispielsweise durch optisch bistabile Elemente realisiert werden, wie sie aus H.M.Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light by Light, Academic Press, 1985, Seiten 1 bis 4, bekannt sind.

Als optische Schaltelemente können sowohl optisch als auch elektrisch steuerbare Schaltelemente verwendet werden. Als optisch steuerbare Schaltelemente können dabei auch sogenannte hybride optische Schaltelemente vorgesehen sein, bei denen zum Schalten ein elektrisches Steuersignal erforderlich ist, das durch einen in das Schaltelement integrierten optoelektroni schen Wandler zur Verfügung gestellt wird.

In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere optisch steuerbare Schaltelemente vorgesehen, die mit einem opti schen Steuereingang versehen sind, der vom zu steuernden Sig naleingang räumlich getrennt ist.

Geeignete optische Schaltelemente sind dabei sowohl Schalt elemente, bei denen der Schaltzustand aufgrund einer Änderung ihrer dispersiven Eigenschaften beeinflußt wird, als auch Schaltelemente geeignet, deren Schaltzustand durch Änderung ihrer absorptiven Eigenschaften gesteuert wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein disper sives optisches Schaltelement vorgesehen, das in der Übertra gungsstrecke in Reihe zum Meßwertaufnehmer angeordnet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein ab sorptives Schaltelement vorgesehen, das parallel zur Über tragungsstrecke angeordnet und mit einer Spiegelanordnung ver sehen ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 eine Meßanordnung gemäß der Erfindung schematisch ver anschaulicht ist, die insbesondere bei Verwendung eines dispersiven Schaltelementes geeignet ist.

Fig. 2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der zum Bereitstellen eines Referenz signals ein absorptives optisches Schaltelement vor gesehen ist.

Gemäß Fig. 1 ist ein Meßwertaufnehmer 20 mit einer Lichtquelle 2 und einem Lichtempfänger 4 über eine optische bidirektionale Übertragungsstrecke 8 gekoppelt. Das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht wird im Meßwertaufnehmer 20 entsprechend der aufzunehmenden Meßgröße moduliert und in die Übertragungs strecke 8 zurückreflektiert. Das vom Meßwertaufnehmer 20 in die Übertragungsstrecke 8 zurückgekoppelte Licht wird an einem Strahlteiler 6 ausgeblendet und zur Auswertung einem Licht empfänger 4 zugeleitet. Zum Übertragen der optischen Signale sind vorzugsweise Lichtleitfasern vorgesehen. Anstelle des Strahlteilers 6 kann auch ein sogenannter y-Koppler verwendet werden.

In der Übertragungsstrecke 8 ist in der Nähe des Meßwertauf nehmers 20 ein optisches Schaltelement 10 angeordnet. Dieses optische Schaltelement 10 verfügt vorzugsweise über einen optischen Steuereingang, der mit einer Steuerlichtquelle 3 optisch verbunden ist. Für eine solche Anordnung, in der das optische Schaltelement 10 in Reihe zum Meßwertaufnehmer 20 ge schaltet ist, sind dabei insbesondere dispersive optische Schaltelemente 10 geeignet, deren Schaltzustand durch Änderung seiner dispersiven Eigenschaften gesteuert werden kann, und deren Absorption vernachlässigbar ist. Je nach Intensität des von der Steuerlichtquelle 3 in den Steuereingang des optischen Schaltelementes 10 eingekoppelten Lichtes schaltet das optische Schaltelement 10 von einem Zustand hoher Transmissivität zu einem Zustand hoher Reflektivität. Das optische Schaltelement 10 wirkt somit als optischer Umschalter, mit dem zwischen Meß- und Referenzsignal umgeschaltet werden kann. Die Umschaltung kann je nach Ansteuerung durch die Steuerlichtquelle 3 zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen.

Wird das optische Schaltelement 10 von der Steuerlichtquelle 3 in den reflektiven Zustand geschaltet, so wird am Lichtempfän ger 4 ein Referenzsignal empfangen, das praktisch die gleiche Übertragungsstrecke 8 durchlaufen und die gleiche spektrale Zusammensetzung wie das Meßsignal hat. Ein Zustand des disper siven optischen Schaltelementes 10 entspricht einer hohen Transmissivität T_S und einer niedrigen Reflektivität 1-T_S. Zum anderen Schaltzustand gehört eine hohe Reflektivität R_S und eine niedrige Transmissivität 1-R_S. Von der Lichtquelle 2 wird in die bidirektionale Übertragungsstrecke 8 Licht mit der Inten sität I_O eingekoppelt. Die am optisch bistabilen Element 10 ankommende Lichtintensität beträgt V_SI_O, wobei durch den Faktor V_S die Streckenverluste innerhalb der Übertragungsstrecke 8 berücksichtigt sind. Wird die Reflektivität des Meßwertaufneh mers 20 mit R_M bezeichnet, so ergibt sich für die Intensität des am Lichtempfänger eintreffenden Referenzsignales

I_R = V_S²I_OR_S+(1-R_S)²V_S²I_OR_M (1)

Für die Intensität I_M des Meßsignales ergibt sich im Schalt zustand mit der hohen Reflektivität die Beziehung

I_M = V_S²I_OT_S²R_M+(1-T_S)V_S²I_O (2)

Bildet man das Verhältnis I_M/I_R = S aus den beiden Gleichungen (1) und (2) und löst nach R_M auf, so ergibt sich für die Re flektivität R_M des Meßwertaufnehmers 20 die Beziehung

Der Gleichung (3) ist zu entnehmen, daß die Reflektivität R_M nur noch von der Reflektivität R_S bzw. der Transmissivität T_S der beiden Schaltzustände des optischen Schaltelementes 10 und vom Verhältnis S der am Lichtempfänger für beide Schalt zustände gemessenen Lichtintensität abhängt. Sowohl die Streckenverluste V_S der bidirektionalen Übertragungsstrecke als auch die Intensität I_O des von der Lichtquelle 2 in die Über tragungsstrecke 8 eingekoppelten Lichtes fallen bei der Berech nung der entsprechend der physikalischen Meßgröße modulierten Reflektivität R_M des Meßwertaufnehmers 20 heraus. Dabei ist der Gleichung (3) zu entnehmen, daß für die Genauigkeit der auf diese Weise ermittelten Reflektivität R_M eine gute Stabilität und hohe Reproduzierbarkeit der Schaltzustände wesentlich ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist insbesondere für ab sorptive optische Schaltelemente 12 geeignet und entspricht einer Parallelschaltung von Schaltelement 12 und Meßwertauf nehmer 20. Das absorptive optische Schaltelement 12 ist in der Nähe des optischen Meßwertaufnehmers 20 angeordnet und über einen Strahlteiler 9 oder einen y-Koppler mit der Übertragungs strecke 8 und der Lichtquelle 2 gekoppelt. Im Strahlteiler 9 wird das von Lichtquelle 2 in die Übertragungsstrecke 8 ein gekoppelte Licht in einem vorgegebenen Strahlverhältnis K₁/K₂ geteilt. Die in den Meßwertaufnehmer 20 eingekoppelte Inten sität beträgt dann V_SI_OK₁. Vom Strahlteiler 9 wird in einen separaten, parallel zur Übertragungsstrecke 8 angeordneten Lichtweg, in dem sich das absorptive optische Schaltelement 12 befindet, die Intensität V_SI_OK₂ eingekoppelt. Dem Schaltele ment 12 ist ein Spiegel 14 zugeordnet, an dem das durch das Schaltelement 12 transmittierte Licht zurück zum Strahlteiler 9 reflektiert wird. Von dort aus gelangt es über die Übertragungs strecke 8 zum Lichtempfänger 4. Das absorptive optische Schalt element 12 verfügt ebenfalls über einen Steuereingang, der mit einer Steuerlichtquelle 3 verbunden ist. Mit der Steuerlicht quelle 3 kann in Abhängigkeit der in den Steuereingang des optischen Schaltelementes 12 eingekoppelten Lichtintensität sein Schaltzustand gezielt verändert werden. Werden die beiden Schaltzustände mit A₁ bzw. A₂ gekennzeichnet, so ergeben sich für die zu messenden Signale die Beziehungen

I₁ = K₁V_S²I_OR_M+A₁K₂V_S²I_O (4)

I₂ = K₁V_S²I_OR_M+A₂K₂V_S²I_O (5)

Bildet man das Verhältnis I₁/I₂ = S aus diesen beiden Glei chungen (4) und (5) und löst nach R_M auf, so ergibt sich die Gleichung

Auch in diesem Falle kann die Reflektivität R_M des Meßwertauf nehmers 20 unabhängig von Streckenverlusten V_S und Intensität I_O ermittelt werden.

Claims

1. Optische Meßanordnung mit

a) einer Lichtquelle (2), die Licht in das erste Ende einer bidirektionalen optischen Übertragungsstrecke (8) einkoppelt,
b) einem Lichtempfänger (4), der aus der Übertragungsstrecke (8) ausgekoppeltes Licht empfängt,
c) einem Meßwertaufnehmer (20), der aus dem zweiten Ende der Übertragungsstrecke (8) ausgekoppeltes Licht gemäß der zu messenden Größe moduliert und wieder in das zweite Ende der Übertragungsstrecke (8) einkoppelt und
d) Mitteln zum Einkoppeln eines optischen Referenzsignals in das zweite Ende der Übertragungsstrecke (8),
dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Mittel zum Einkoppeln des optischen Referenzsignals in das zweite Ende der Übertragungsstrecke (8) ein bistabiles optisches Schaltelement (10, 12) umfassen.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Schaltelement (10, 12) optisch steuerbar ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein hybrides optisches Schaltelement (10, 12) vorgesehen ist.

4. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dispersives optisches Schaltelement (10) vorgesehen ist, das am zweiten Ende der Übertragungsstrecke (8) in Reihe zum Meßwertaufnehmer (20) angeordnet ist.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein absorptives Schaltelement (12) vorgesehen ist, das parallel zum Meßwertaufnehmer (20) angeordnet und mit einer Spiegelanordnung (14) versehen ist.

6. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Übertragungsstrecke (8) Lichtleitfasern vorgesehen sind.