DE3929290A1

DE3929290A1 - Interferometric sensor e.g. for measuring temp., press or density - uses optical interferometer as sensor element for unproved accuracy, sensitivity and range

Info

Publication number: DE3929290A1
Application number: DE19893929290
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Kerl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-04
Filing date: 1989-09-04
Publication date: 1991-03-07

Abstract

The interferometric sensor system contains an optical interferometer which is used as the sensor element. The interferometer is evacuated or contains a sensing medium and it is illuminated with light from a laser. The interferometer can be in the form of a two-plate interferometer. USE/ADVANTAGE - Measurement of temp, press, refractive index, absorption coefficients, density and the chemical composition of a sensor medium. Improved measurement accuracy and sensitivity and extended measurement range.

Description

Die Erfindung betrifft Sensorsysteme, die als Sensorelement ein optisches Interferometer enthalten.The invention relates to sensor systems used as a sensor element include an optical interferometer.

Ein Sensorsystem kann als eine Meßkette verstanden werden, die aus einem Sensorelement, einer Signalaufbereitung und einer Meßwertausgabe besteht. Der aktive Teil ist das Sensor element, das eine zu messende Größe wie z. B. die Temperatur T in eine elektrisch erfaßbares Signal umwandelt. In einem interferometrischen Sensorsystem wird diese Aufgabe von einem optischen Interferometer übernommen. Hierunter soll im weite sten Sinne ein Interferometer verstanden werden, das ein Interferogramm erzeugt, wenn es mit elektromagnetischer Strahlung ("Licht") aus dem "optischen" Wellenlängenbereich (von etwa 50 nm bis 50 µm) bestrahlt wird.A sensor system can be understood as an electrode, which consists of a sensor element, signal processing and a measured value output exists. The active part is the sensor element that is a quantity to be measured such as B. the temperature T converted into an electrically detectable signal. In one interferometric sensor system does this task from one optical interferometer taken over. Below is said to be in the far An interferometer should be understood in the most sensible sense Interferogram generated when using electromagnetic Radiation ("light") from the "optical" wavelength range (from about 50 nm to 50 microns) is irradiated.

Zur Messung von physikalischen Größen wie Temperatur T, Druck p, Dichte ρ (T, p, x) und Zusammensetzung x = {x₁, . . ., x_N} eines Mischsystems aus N Komponenten eignen sich im Prinzip alle Stoff- bzw. Systemeigenschaften, die mit diesen Größen in einen umkehrbar eindeutigen Zusammenhang gebracht werden können (x_i= Molenbruch der chemischen Komponente i des N- Komponentensystems). Die bisher käuflichen physikalisch- chemischen Sensorsysteme zur Messung von T, p und ρ nutzen überwiegend Änderungen von mechanisch-elastischen Eigenschaf ten (z. B. Schwingungsfrequenz oder Membrandurchbiegung) und elektrischen Eigenschaften (z. B. Kapazität oder elektrischer Widerstand) des aktiven Sensorelements aus. Die elastische Verformung wird überwiegend elektrisch (z. B. mit Dehnungsmeßstreifen), selten aber auch geometrisch-optisch durch Reflektion eines Lichtstrahls an einem mit dem Sensor element verbundenen Spiegel sichtbar gemacht ("Lichtzeiger", z. B. beim Quarzwendelmanometer der Fa. Ruska). Häufige Nach teile dieser Sensorelemente sind z. B. ein kleiner physikalischer Meßeffekt, Hystereseerscheinungen und größere Abweichungen von einem linearen Verhalten, wodurch wichtige Sensoreigenschaften wie Meßempfindlichkeit, Meßgenauigkeit und Größe des Meßbereichs beeinträchtigt werden.For measuring physical quantities such as temperature T, pressure p, density ρ (T, p, x) and composition x = {x₁,. . ., x _N } of a mixed system of N components are in principle all material or system properties which can be brought into a reversibly clear relationship with these quantities (x _i = mole fraction of the chemical component i of the N component system). The previously available physico-chemical sensor systems for measuring T, p and ρ mainly use changes in mechanical-elastic properties (e.g. vibration frequency or membrane deflection) and electrical properties (e.g. capacitance or electrical resistance) of the active sensor element . The elastic deformation is predominantly made electrical (e.g. with strain gauges), but rarely also geometrically-optically visible by reflection of a light beam on a mirror connected to the sensor element ("light pointer", e.g. in the quartz spiral manometer from Ruska ). After frequent parts of these sensor elements are such. B. a small physical measurement effect, hysteresis and larger deviations from a linear behavior, whereby important sensor properties such as sensitivity, accuracy and size of the measuring range are affected.

Mit interferometrischen Sensorsystemen sollen diese Meßei genschaften verbessert werden.With interferometric sensor systems this measuring egg should properties can be improved.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß optische Interferometer als Sensorelemente verwendet werden. Mit ihnen lassen sich die optischen Eigenschaften Absorption und Brechung eines Sensorsystems zur Bestimmung von p, T oder ρ messen.This goal is achieved in that optical interferometers are used as sensor elements. Leave with them the optical properties of absorption and refraction of a sensor system to determine p, T or ρ.

Mit Hilfe der heutzutage vorhandenen miniaturisierten aktiven (Laser, Photodioden) und passiven (Spiegel, Linsen usw.) optischen und elektronischen Bauelemente ist eine Entwicklung von preiswerten und kompakten interferometrischen Sensorsystemen möglich. Die Funktionsweise und Vorteile eines solchen neuartigen Sensorsystems sollen im folgenden am Beispiel eines Sensortyps mit einem 2-Platteninterferometer als Sensorelement beschrieben werden. Als zu messende Größen sollen hier nur p und T betrachtet werden, obwohl im Prinzip auch eine Messung der Dichte ρ oder der Zusammensetzung x eines Mischsystems möglich ist. Abb. 1 zeigt schematisch ein solches Sensorsystem in der Option eines Hochdrucksensors und Abb. 2 die optische Wirkungsweise des 2-Platten-Interferometers. Es besteht aus einer teilverspiegelten Teilerplatte Tp (Brechzahl n₁) und einem Oberflächenspiegel Sp, die mit Hilfe eines Abstandshalters im Abstand 1 möglichst planparallel zueinander angeordnet sind. Das Interferometer befindet sich in einem Gehäuse, das einseitig mit einem Fenster SF verschlossen ist (in Abb. 1 ein Hochdruckautoklav mit einem Saphirfenster SF). Gehäuse und Interferometer sind vollständig mit einem fluiden Sensormedium vom Brechungsindex n(λ, T, p) und Absorptions koeffizient a(λ, T, p) gefüllt, wobei über Bohrungen im Abstandshalter Druckausgleich erfolgt. Im Falle eines Temperatursensorsystems kann z. B. ein geschlossenes Interferometer ohne Gehäuse oder in einem dünnwandigen Gehäuse verwendet werden, das mit der zu messenden Temperaturquelle in gutem Wärmekontakt gebracht wird. Das Interferometer wird mit Laserlicht der Wellenlänge λ beleuchtet und das reflektierte Interferenzmuster (Interfero gramm) nach Aufweitung mit einer Aufweitungsoptik AO durch eine Photodiode PD mit Blende registriert. Daran anschließend findet eine Aufbereitung des analogen elektrischen Signals U mit einem Computer statt. Die optoelektronische Baueinheit Laser-AO-PD kann mit dem Sensor fest verbunden (integriert) oder an ihn flexibel über Lichtleiter optisch angekoppelt werden. Die Funktionsweise des Interferometers ist schema tisch in Abb. 2 gezeigt. Der Lichtstrahl wird an der Innenseite 1 von Tp in einen reflektierten Teilstrahl A und einen durchgelassenen Teilstrahl aufgespalten. Dieser wird an der Innenseite 2 des Spiegels Sp reflektiert und verläuft als Teilstrahl B in der Teilerplatte Tp parallel zu A. Unter idealen Bedingungen (monochromatisches paralleles Licht, Tp und Sp planparallel) ist der Gangunterschied γ zweier beliebiger benachbarter kohärenter Teillichtbündel (z. B. A, B) nach Abb. 2 gegeben durchWith the help of the miniaturized active (lasers, photodiodes) and passive (mirrors, lenses, etc.) optical and electronic components available today, it is possible to develop inexpensive and compact interferometric sensor systems. The mode of operation and advantages of such a novel sensor system are described below using the example of a sensor type with a 2-plate interferometer as the sensor element. Only p and T should be considered here as parameters to be measured, although in principle it is also possible to measure the density ρ or the composition x of a mixing system. Fig. 1 shows schematically such a sensor system with the option of a high pressure sensor and Fig. 2 shows the optical mode of operation of the 2-plate interferometer. It consists of a partially mirrored divider plate Tp (refractive index n₁) and a surface mirror Sp, which are arranged as plane-parallel as possible with the help of a spacer at a distance of 1. The interferometer is located in a housing that is closed on one side with a window SF (in Fig. 1, a high-pressure autoclave with a sapphire window SF). The housing and interferometer are completely filled with a fluid sensor medium with a refractive index n (λ, T, p) and absorption coefficient a (λ, T, p), whereby pressure compensation takes place through holes in the spacer. In the case of a temperature sensor system, e.g. B. a closed interferometer can be used without a housing or in a thin-walled housing, which is brought into good thermal contact with the temperature source to be measured. The interferometer is illuminated with laser light of wavelength λ and the reflected interference pattern (interferogram) after expansion with an expansion lens AO is registered by a photodiode PD with an aperture. The analog electrical signal U is then processed using a computer. The optoelectronic module Laser-AO-PD can be permanently connected to the sensor (integrated) or optically coupled to it flexibly via light guides. The operation of the interferometer is shown schematically in Fig. 2. The light beam is split on the inside 1 of Tp into a reflected partial beam A and a transmitted partial beam. This is reflected on the inside 2 of the mirror Sp and runs as a partial beam B in the splitter plate Tp parallel to A. Under ideal conditions (monochromatic parallel light, Tp and Sp plane-parallel), the path difference γ is any two adjacent coherent partial light beams (e.g. A, B) given by Fig. 2 by

γ ≡ Nλ = nL (1)γ ≡ Nλ = nL (1)

mit der geometrischen Weglängewith the geometric path length

L =2l cos ε = 2l[1-(n₁/n)² sin²α]^1/2 (2)L = 2l cos ε = 2l [1- (n₁ / n) ² sin²α] ^1/2 (2)

des Teilstrahls B im Interferometermedium der (reellen) Brechzahl n(λ, T, p). Der Wurzelausdruck für cos ε=[1-sin² ε]¹^/² ergibt sich aufgrund des Brechungsgesetzes n₁ sin α = n sin ε. N ist die Interferenzordnung ("Interferenzstreifenzahl"). Ein fachste Verhältnisse ergeben sich also bei genau senkrechtem Lichteinfall (α=ε=0°, γ=nL=n2l). Dem Gangunterschied γ=Nλ entspricht eine Phasendifferenz ψ=2πN + ϕ der interferieren den Teilstrahlen (A, B), wobei ϕ die Differenz der Phasensprünge ist, die bei der Reflektion der Teilstrahlen an den Phasengrenzen 1 und 2 auftreten. Für n<n₁ ist ϕ=-π und für n<n₁ ist ϕ=π. Für die Intensitätsverteilung im Beobachtungspunkt P' kann man dann schreiben:of the partial beam B in the interferometer medium of the (real) refractive index n (λ, T, p). The root expression for cos ε = [1-sin² ε] ¹ ^/ ² results from the law of refraction n₁ sin α = n sin ε. N is the interference order ("interference fringe number"). The simplest conditions result when the incidence of light is exactly vertical (α = ε = 0 °, γ = nL = n2l). The path difference γ = Nλ corresponds to a phase difference ψ = 2πN + ϕ of the interfering partial beams (A, B), where ϕ is the difference in the phase jumps that occur at the phase boundaries 1 and 2 when the partial beams are reflected. For n <n₁ is ϕ = -π and for n <n₁ is ϕ = π. For the intensity distribution at observation point P 'one can then write:

I(P') = I₁ + I₀ cos ψ = I₁ - I₀ cos 2πN (3)I (P ') = I₁ + I₀ cos ψ = I₁ - I₀ cos 2πN (3)

Im Idealfall streng monochromatischer Teilstrahlen (A, B), der Intensitäten I_A und I_B ist die Untergrundintensität I₁=I_A+I_B und die Amplitude des Zweistrahlinterferogramms I₀=2(I_AI_B)^1/2. Nach (3) ergeben sich Intensitätsmaxima fürIn the ideal case, strictly monochromatic partial beams (A, B), the intensities I _A and I _B is the background intensity I₁ = I _A + I _B and the amplitude of the two-beam interferogram I₀ = 2 (I _A I _B ) ^1/2 . According to (3) there are intensity maxima for

N=+-{0, 1, 2, . . .}N = + - {0, 1, 2,. . .}

und Intensitätsminima fürand intensity minima for

N=+-{1/2, 3/2 . . .}.N = + - {1/2, 3/2. . .}.

Eine Änderung ΔN von N ergibt also ein kosinusförmiges Intensitätssigna I(P') auf der Blende der Photodiode PD und damit ein entsprechendes kosinusförmiges elektrisches Signal U, das dann z. B. mit einem Einplatinencomputer weiterverar beitet werden kann. Die Richtung von ΔN (ΔN<0, ΔN<0) kann z. B. mit einer Quadrantenphotodiode festgestellt werden. Eine gleichzeitige Änderung des Absorptionskoeffizienten a(λ, T, p) des Sensormediums im Interferometer macht sich gemäß dem Lambert-Beer'schen GesetzA change ΔN of N thus results in a cosine Intensity signal I (P ') on the aperture of the photodiode PD and thus a corresponding cosine-shaped electrical signal U, then z. B. with a single board computer can be processed. The direction of ΔN (ΔN <0, ΔN <0) can e.g. B. with a quadrant photodiode. A simultaneous change in the absorption coefficient a (λ, T, p) of the sensor medium in the interferometer makes itself according to the Lambert-Beer law

I_B = I_{B 0} exp(-aL) (4)I _B = I _{B 0} exp (-aL) (4)

in der Intensität I_B des Teilstrahls B und damit in den Größen I₁ und I₀ des Interferogramms (3) bemerkbar. I_{B 0} ist die Intensität des Teilstrahls B für ein leeres Interferometer (a=0). Der Einfachheit halber soll dieser Absorptionsef fekt (4), der im Prinzip auch für Meßzwecke ausgenutzt werden kann, im folgenden nicht weiter betrachtet werden, sondern nur noch der reine Interferenzeffekt (1).noticeable in the intensity I _{B of} the partial beam B and thus in the sizes I₁ and I₀ of the interferogram (3). I _{B 0} is the intensity of the partial beam B for an empty interferometer (a = 0). For the sake of simplicity, this absorption effect (4), which in principle can also be used for measurement purposes, should not be considered further below, but only the pure interference effect (1).

Die Vorteile eines interferometrischen Sensorsystems gegen über herkömmlichen Sensorsystemen lassen sich z. B. anhand der Abschätzung der Auflösung und Genauigkeit eines Sensortyps der Abb. 1 für die Messung von Temperatur T und Druck p erläutern. Da N die eigentliche Meßgröße in (1) bzw. (3) ist, schreibt man (1) zweckmäßig inThe advantages of an interferometric sensor system compared to conventional sensor systems can e.g. B. explain using the estimate of the resolution and accuracy of a sensor type of Fig. 1 for the measurement of temperature T and pressure p. Since N is the actual measured variable in (1) or (3), it is appropriate to write (1) in

N = (L/λ)n = Kn (5)N = (L / λ) n = Kn (5)

um, wobeium, where

K = (L/λ) = (2l/λ) cos ε = (2l/λ)(1-[n₁/n]² sin² α)^1/2 (6)K = (L / λ) = (2l / λ) cos ε = (2l / λ) (1- [n₁ / n] ² sin² α) ^1/2 (6)

eine dimensionslose "Apparatekonstante" ist, die für α=ε=0° ihren Maximalwert K=2l/λ annimmt. Der Einfachheit halber soll im folgenden nur dieser Maximalwert betrachtet werden. Aus (5) erhält man für eine infinitesimale Änderung von N:is a dimensionless "apparatus constant" for α = ε = 0 ° assumes its maximum value K = 2l / λ. For the sake of simplicity only this maximum value is considered below. Out (5) one obtains for an infinitesimal change of N:

dn = ndK + Kdn = dN_K + dN_n (7)dn = ndK + Kdn = dN _K + dN _n (7)

Betrachtet man als Meßgrößen nur p und T, so istIf only p and T are considered as measured variables, then

dN_K = ndK = n[(∂K/∂p)_Tdp + (∂K/∂T)_pdT] = n[dK_p + dK_T] (8)dN _K = ndK = n [(∂K / ∂p) _T dp + (∂K / ∂T) _p dT] = n [dK _p + dK _T ] (8)

dN_n = Kdn = K[(∂n/∂p)_Tdp + (∂n/∂T)_pdT] = K[dn_p + dn_T] (9)dN _n = Kdn = K [(∂n / ∂p) _T dp + (∂n / ∂T) _p dT] = K [dn _p + dn _T ] (9)

Es ist zweckmäßig, bei einem Drucksensor T und bei einem Temperatursensor p (z. B. mit Hilfe eines Expansionsvolumens für das Sensormedium) möglichst konstant zu halten. Durch Optimierung der geometrischen Abmessungen des Platten abstandshalters kann man den Druckkoeffizienten (∂l/∂p)_T von l sehr klein machen, so daß dK_p≈0 wird. Dies kann z. B. für Hochdrucksensoren erwünscht sein. Aus l=l₀[1+α₁(T-T₀)] folgt dann für den Temperaturkoeffizienten (∂l/∂T)_p=αl₀, wenn α₁ der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Abstandshaltermaterials und l₀=l(T₀) der Plattenabstand für eine Bezugstemperatur T₀ ist. Damit folgt aus (8) mit K(T)≈K(T₀)=K₀ die Abschätzung:It is expedient to keep as constant as possible with a pressure sensor T and with a temperature sensor p (for example with the aid of an expansion volume for the sensor medium). By optimizing the geometrical dimensions of the plate spacer, the pressure coefficient (∂l / ∂p) _T of l can be made very small, so that dK _p ≈0. This can e.g. B. be desired for high pressure sensors. From l = l₀ [1 + α₁ (T-T₀)] it follows for the temperature coefficient (∂l / ∂T) _p = αl₀ if α₁ is the linear thermal expansion coefficient of the spacer material and l₀ = l (T₀) the plate distance for a reference temperature T₀ is. Hence, the estimate follows from (8) with K (T) ≈K (T folgt) = K₀:

dN_K = ndK ≈ ndK_T ≈ nK₀α₁dT (10)dN _K = ndK ≈ ndK _T ≈ nK₀α₁dT (10)

Examples 1) 2-plate inferometer

l₀=20 mm , λ=830 nm , α=0°, K₀=4.8_*10⁴, n≡1 (Vakuum):
α₁ (Aluminium)=2.2_*10^-1K^-1, dN_K = 1.06(dT/K),
α₁ (Quarzglas)=6_*10^-7K^-7, dN_K = 0.03(dT/K).l₀ = 20 mm, λ = 830 nm, α = 0 °, K₀ = 4.8 _* 10⁴, n≡1 (vacuum):
α₁ (aluminum) = 2.2 _* 10 ^-1 K ^-1 , dN _K = 1.06 (dT / K),
α₁ (quartz glass) = 6 _* 10 ^-7 K ^-7 , dN _K = 0.03 (dT / K).

Ein ähnlich kleiner Wert wie für Quarzglas gilt für Glaske ramiken. Meßtechnisch ist eine Auflösung von dN≈10^-3 Interfe renzstreifen möglich. Deshalb sollte sich also bereits für ein evakuiertes Aluminiuminterferometer eine ähnlich gute Temperaturauflösung und hohe Meßgenauigkeit (nach Kalibrie rung!) ergeben, so daß sich ein solches Interferometer als Temperatursensorelement aneignen sollte. Die maximale Größe des Temperaturmeßbereichs hängt dann praktisch nur noch von der thermischen Stabilität der Baumaterialien des Interferometers ab. Umgekehrt sollte ein Quarzglas- oder Glaskeramikinterfero meter gut als Drucksensorelement geeignet sein, das notwendigerweise immer mit einem Sensormedium gefüllt werden muß. Meßfehler durch Schwankungen dT der Meßtemperatur werden so minimiert. Eine zusätzliche Thermostatisierung des Drucksensors kann diese Temperaturempfindlichkeit weiter verringern.A similarly small value as for quartz glass applies to glass ceramics. Technically, a resolution of dN≈10 ^-3 interference strips is possible. Therefore, a similarly good temperature resolution and high measurement accuracy (after calibration!) Should already result for an evacuated aluminum interferometer, so that such an interferometer should be used as a temperature sensor element. The maximum size of the temperature measuring range then practically only depends on the thermal stability of the building materials of the interferometer. Conversely, a quartz glass or glass ceramic interferometer should be well suited as a pressure sensor element, which must always be filled with a sensor medium. Measurement errors due to fluctuations in the measurement temperature are thus minimized. Additional thermostatting of the pressure sensor can further reduce this temperature sensitivity.

2) An ideal gas as a sensor medium

Für ein ideales Gas gilt exakt:For an ideal gas, the following applies exactly:

n = 1 + (2πα₀/k)p/T = 1 + a₀p/T (11)n = 1 + (2πα₀ / k) p / T = 1 + a₀p / T (11)

k ist die Boltzmannkonstante und α₀=α₀ (λ, T) die Dipolpolari sierbarkeit des freien (isolierten) Moleküls in dem idealen Gas (mit der Dimension eines Volumens). Aus (11) folgtk is the Boltzmann constant and α₀ = α₀ (λ, T) the dipole polar sibility of the free (isolated) molecule in the ideal Gas (with the dimension of a volume). From (11) follows

(∂n/∂T)_p=-a₀p/T² und (∂n/∂p)_T=a₀/T.(∂n / ∂T) _p = -a₀p / T² and (∂n / ∂p) _T = a₀ / T.

Mit B₀≡K₀a₀ ergibt sich:With B₀≡K₀a₀ you get:

dN_np (T) = K₀ (∂n/∂T)_pdT = -B₀p (dT/T²) (12)dN _np (T) = K₀ (∂n / ∂T) _p dT = -B₀p (dT / T²) (12)

dN_nT (p) = K₀ (∂n/∂p)_Tdp = (B₀/T)dp (13)dN _nT (p) = K₀ (∂n / ∂p) _T dp = (B₀ / T) dp (13)

Gemäß (12) ist ein gasgefüllter Temperatursensor um so empfindlicher, je größer p und je kleiner T ist. Gemäß (13) ist ein gasgefüllter Drucksensor um so empfindlicher, je klei ner T ist. Für Edelgase ist α₀ bis 1000 K praktisch von T unabhängig. Deshalb sollten sich diese besonders gut als Sensorgase eignen. Wählt man K₀=4.82_*10⁴, so liegen die B₀- Werte der Edelgase zwischen 0.00452KPa^-1 (Helium) und 0.09041KPa^-1 (Xenon). Wählt man p=10⁵Pa (1bar), T=300K und Xenon als Füllgas, so ergibt sichAccording to (12), a gas-filled temperature sensor is the more sensitive the larger p and the smaller T is. According to (13), the smaller the T, the more sensitive a gas-filled pressure sensor. For noble gases, α₀ to 1000 K is practically independent of T. Therefore, they should be particularly suitable as sensor gases. If you choose K₀ = 4.82 _* 10⁴, the B₀ values of the noble gases are between 0.00452KPa ^-1 (helium) and 0.09041KPa ^-1 (xenon). Choosing p = 10⁵Pa (1bar), T = 300K and xenon as the filling gas results in

dN_np (T) = -0.10(dT/K), dN_nT (p) = 3.01_*10^-4 (dp/PA).dN _np (T) = -0.10 (dT / K), dN _nT (p) = 3.01 _* 10 ^-4 (dp / PA).

Einer Auflösung von dN≈10^-3 entspricht dT≈0.01K und dp≈3Pa (dT/T≈dp/p≈3_*10^-5). Ein solcher Sensor ist also sehr empfindlich, obwohl der Temperatureffekt dN_np (T) von Xenongas bei diesem Druck um einen Faktor 10 kleiner ist als bei einem evakuierten Interferometer mit einem Abstandshalter aus Aluminium (siehe oben).A resolution of dN≈10 ^-3 corresponds to dT≈0.01K and dp≈3Pa (dT / T≈dp / p≈3 _* 10 ^-5 ). Such a sensor is therefore very sensitive, although the temperature effect dN _np (T) of xenon gas at this pressure is a factor of 10 smaller than that of an evacuated interferometer with an aluminum spacer (see above).

3) Liquid gas CCl₄ as sensor medium

n(p,T) ist bisher nur für wenige reale Gase und Flüssigkeiten gemessen worden. Als Beispiel soll CCl₄ betrachtet werden. Für T=298K, p=1bar und λ= 667.8 nm ist etwa:So far, n (p, T) is only for a few real gases and liquids been measured. CCl₄ should be considered as an example. For T = 298K, p = 1bar and λ = 667.8 nm is approximately:

(Δn/Δp)_T = 4.66_*10^-5bar^-1, (Δn/ΔT)_p= -6.04_*10^-4K^-1.(Δn / Δp) _T = 4.66 _* 10 ^-5 bar ^-1 , (Δn / ΔT) _p = -6.04 _* 10 ^-4 K ^-1 .

Damit ergibt sich mit K₀(667.8nm) = 5.99_*10¹ gemäß (9):With K₀ (667.8nm) = 5.99 _* 10¹ we get according to (9):

dN_n = 2.79(dp/bar) - 36.18 (dT/K) (14)dN _n = 2.79 (dp / bar) - 36.18 (dT / K) (14)

Nach (14) sollte sich ein Flüssigkeitssensor gut zur Temperaturmessung eignen, wenn p konstant gehalten wird (dp=0, z. B. mit Hilfe eines Expansionsgefäßes für die Sensorflüssigkeit). Eine Druckmessung ist jedoch um einen Faktor 10 unempfindlicher als mit Xenongas, wobei T noch genauer konstant zu halten wäre. In jedem Fall ist jedoch im Falle eines Drucksensors zu überlegen, ob ein Trenngefäß zwischen Sensormedium und dem äußeren Druckmedium eingeschaltet werden muß. Ein Sensorinterferometer, das direkt mit diesem Druckmedium (z. B. einem Hochdrucköl) beaufschlagt werden kann, würde trotz der geringeren Empfindlichkeit einem Gassensor vorzuziehen sein.According to (14), a liquid sensor should be used well Temperature measurement is suitable if p is kept constant (dp = 0, e.g. with the help of an expansion vessel for the Sensor fluid). However, a pressure measurement is one Factor 10 less sensitive than with xenon gas, with T still would be more accurate to keep constant. In any case, however In case of a pressure sensor consider whether a separation vessel between the sensor medium and the external pressure medium must be switched on. A sensor interferometer that directly with this pressure medium (e.g. a high pressure oil) could be applied, despite the lower Sensitivity should be preferred to a gas sensor.

Die bisherigen Überlegungen und Beispiele sollten dazu dienen, Abschätzungen für die Empfindlichkeit und mögliche Genauigkeit interferometrischer Sensorsysteme zu gewinnen sowie ihre meßtechnischen Vorteile gegenüber bekömmlichen Sensorsystemen aufzuzeigen. In der Praxis wird sich sicher lich die Kalibrierung eines solchen Sensorsystems empfehlen, um N(p) bzw. N(T) gemäß (5) zu bestimmen.The previous considerations and examples should serve to Estimates for sensitivity and possible Gain accuracy of interferometric sensor systems as well as their metrological advantages over wholesome ones To show sensor systems. In practice it will be safe Lich recommend the calibration of such a sensor system, to determine N (p) or N (T) according to (5).

Claims

1. Interferometric sensor systems, characterized in that an optical interferometer is used as the sensor element.

2. Interferometric sensor systems for measuring temperature and pressure as well as refractive index, absorption coefficient, density and chemical composition of a sensor medium.

3. The interferometer is evacuated or contains a sensor medium.

4. The interferometer is irradiated with laser light.

5. The interferometer is a 2-plate interferometer.