DE3938371C2 - Fiber optic displacement sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Wegsensor für dem Impulsbetrieb, mit einer Übertragungsfaser, die in einem 3-Wege-Koppler in eine Referenzfaser eines Referenzastes und in eine Sensorfaser eines Sensorastes verzweigt ist, wobei die Länge der Sensorfaser von der Länge der Referenzfaser so abweicht, daß bei einer Impulsbeleuchtung durch in die Übertragungsfaser einspeisbares Licht unterschiedliche Laufzeiten der in dem 3-Wege-Koppler auf die Referenzfaser und auf die Sensorfaser aufgeteilten Lichtimpulse in den beiden Fasern für eine ausreichende Impulstrennung erreichbar sind, mit einer Sensorastlinse, deren optische Achse parallel zur Sensorfaser verläuft, mit einer Referenzastlinse, deren optische Achse parallel zur Referenzfaser verläuft und mit der ein paralleles Referenzlichtbündel auf einem Spiegel erzeugbar ist, wobei die optische Achse der Referenzastlinse normal zu der von dem Referenzlichtbündel beleuchteten Fläche des Spiegels angeordnet ist, wobei der Spiegel ebenfalls mit einem Sensorlichtbündel beaufschlagbar und eine Bewegung des Spiegels durch Differenzsignalbildung der Intensitäten der reflektierten Lichtbündel bestimmbar ist.The invention relates to a fiber optic displacement sensor for the pulse mode, with a transmission fiber, which in a 3-way coupler into a reference fiber of a reference branch and branched into a sensor fiber of a sensor branch is, the length of the sensor fiber from the length of the Reference fiber deviates so that with pulse lighting different due to light that can be fed into the transmission fiber Transit times in the in the 3-way coupler Reference fiber and light pulses split onto the sensor fiber in the two fibers for adequate pulse separation can be reached with a sensor lens whose optical axis runs parallel to the sensor fiber, with a reference branch lens whose optical axis is parallel to Reference fiber runs and with a parallel reference light beam can be generated on a mirror, the optical axis of the reference branch lens normal to that of the Reference light beam illuminated surface of the mirror is arranged, the mirror also with a sensor light beam actable and a movement of the mirror by forming the difference signal of the intensities of the reflected light beam can be determined.
Ein derartiger Wegsensor ist aus den Conference Proceedings der 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Stuttgart 1984, VDE-Verlag, S. 387-390 bekannt. In die Übertragungsfaser ist das Licht einer Lumineszenzdiode einspeisbar, das in dem 3-Wege-Koppler auf den Sensorast und auf den Referenzast aufgeteilt wird. Das aus dem offenen Ende der Referenzfaser austretende Licht wird durch eine Linse kollimiert und beaufschlagt den Spiegel in einem parallelen Lichtbündel. Der Spiegel ist zur Erfassung von kleinen Bewegungen parallel zur optischen Achse des Referenzlichtbündels beweglich angeordnet.Such a displacement sensor is from the conference proceedings the 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Stuttgart 1984, VDE-Verlag, pp. 387-390. The light from a luminescence diode is in the transmission fiber feedable, which in the 3-way coupler on the Sensor branch and is divided on the reference branch. The end light emerging from the open end of the reference fiber collimated by a lens and acts on the mirror in a parallel beam. The mirror is up Detection of small movements parallel to the optical one The axis of the reference light beam is arranged to be movable.
Die Sensorfaser ist erheblich länger als die Referenzfaser. Das durch die Sensorfaser hindurchgeleitete Licht wird von einer weiteren Linse auf den Spiegel abgebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei der abbildenden Linse für das Sensorlichtbündel sowie der kollimierenden Linse für das Referenzlichtbündel um eine einzige Linse, von der die Referenzfaser und die Sensorfaser in unterschiedlichem Abstand voneinander angeordnet sind.The sensor fiber is considerably longer than the reference fiber. The light passed through the sensor fiber is imaged on the mirror by another lens. The imaging lens for is preferably the sensor light bundle and the collimating lens for the reference light bundle around a single lens, of which the Reference fiber and the sensor fiber in different Are spaced from each other.
Die Lumineszenzdiode ist an eine gepulst arbeitende Stromversorgungsschaltung angeschlossen und sendet Licht in Pulsfolgen aus. Das in die Übertragungsfaser zurückgestreute Licht wird in einem weiteren, in räumlicher Nähe der Lumineszenzdiode angeordneten 3-Wege-Koppler in eine Detektorfaser geleitet. Das in der Detektorfaser geleitete Licht beaufschlagt einen Lichtdetektor. Da die Sensorfaser wesentlich länger als die Referenzfaser ist, beaufschlagt das zurückgestreute Licht der Referenzfaser den Lichtdetektor zeitlich vor dem zurückgestreuten Licht der Sensorfaser, so daß das zurückgestreute Licht eindeutig dem Referenzast bzw. dem Sensorast zuzuordnen ist.The luminescent diode is connected to a pulsed power supply circuit connected and sends light in Pulse trains. The backscattered into the transmission fiber Light is in another, in close proximity the luminescent diode arranged 3-way coupler in one Detector fiber directed. The one guided in the detector fiber Light is applied to a light detector. Because the sensor fiber is significantly longer than the reference fiber the backscattered light of the reference fiber the light detector temporally before the backscattered light of the Sensor fiber so that the backscattered light is clear is to be assigned to the reference branch or the sensor branch.
Mit Hilfe des Verhältnisses der Lichtstärken der beiden von dem Lichtdetektor zeitlich nacheinander erfaßten Lichtsignale wird auf die axiale Verschiebung des Spiegels geschlossen; denn bei einer axialen Verschiebung des Spiegels verändert sich die Größe des die Austrittsfläche der Sensorfaser abbildenden Lichtfleckes, so daß die Linse einen anderen Anteil des Sensorlichtbündels in die Sensorfaser zurückkoppelt.With the help of the ratio of the light intensities of the two sequentially detected by the light detector Light signals are based on the axial displacement of the mirror closed; because with an axial displacement of the The mirror changes the size of the exit surface of the sensor fiber imaging light spot, so that the lens another portion of the sensor light beam in the sensor fiber feeds back.
Dadurch, daß ein Referenzsignal an den Detektor zurückge leitet wird, ist der Sensor von Signaländerungen auf der Übertragungsleitung unbeeinflußbar. Die Übertragung ist streckenneutral. Da ein Referenzlichtbündel die Spiegel beaufschlagt, kann eine z. B. aus Alterungsgründen auftretende, sich verändernde Reflektivität des Spiegels oder eine veränderliche Dämpfung in der offenen Meßstrecke erfaßt werden.By returning a reference signal to the detector conducts, the sensor is of signal changes on the Transmission line cannot be influenced. The transfer is route-neutral. As a reference light beam the mirrors applied, a z. B. for reasons of aging occurring, changing reflectivity of the mirror or a variable damping in the open measuring section be recorded.
Der vorbekannte Sensor weist allerdings den Nachteil auf, daß er einen sehr eingeschränkten Dynamikbereich aufweist und nur Spiegelverschiebungen im Bereich von wenigen Mikrometern erfassen kann. Der divergente Meßstrahl gestattet nur kleine, schwierig zu justierende Abstände zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Spiegel. Die bei der Erzeugung des reflektierenden Sensorlichtbündels angestrahlte Fläche des Spiegels weist etwa den halben Durchmesser des Lichtwellenleiterkerns auf, der üblicher weise 50 Mikrometer groß ist. Die sehr kleine ausgeleuchte te Fläche von einem halben Tausendstel Quadratmillimeter stellt hohe Anforderungen an die Oberflächenhomogenität des Reflektors.However, the previously known sensor has the disadvantage that that it has a very limited dynamic range and only mirror shifts in the range of a few Can capture micrometers. The divergent measuring beam allows only small, difficult to adjust distances between the optical fiber and the mirror. The at the generation of the reflective sensor light bundle Illuminated surface of the mirror has approximately half Diameter of the fiber core, the more common is 50 microns in size. The very small illuminated one half of a thousandth of a square millimeter places high demands on surface homogeneity of the reflector.
Aus Feinwerktechnik, Berlin 34 (1985), Nr. 1, Seiten 4-7, ist die Grundstruktur eines einfachen Lichtleiter-Reflexsensors mit einem schräg-eingestrahlten Sensorstrahl bekannt. Dieser Sensor weist den Nachteil auf, daß bei langen Übertragungsstrecken z. B. durch Biegen der Lichtwellenleiter die Intensität meßwertunabhängig absinken und somit ein Meßergebnis verfälschen kann. Bei einer Langzeitbenutzung des bekannten Sensors tritt zudem eine Degradation der Lichtquelle auf, die zu einer Verschlechterung der Dynamik des Sensors und zu einer Verfälschung des Meßwertes führt.From Feinwerktechnik, Berlin 34 (1985), No. 1, pages 4-7, is the basic structure of a simple fiber optic reflex sensor with an obliquely irradiated sensor beam known. This sensor has the disadvantage that at long transmission distances z. B. by bending the optical fiber the intensity decrease independently of the measured value and can falsify a measurement result. With long-term use of the known sensor also occurs Degradation of the light source leads to deterioration the dynamics of the sensor and falsification of the measured value leads.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Wegsensor zu schaffen, der es gestattet, bei Wegmessungen einen großen Dynamikbereich bei gleichzeitiger Kurzzeit- und Langzeit stabilität des Sensors zu schaffen.The invention is based on this prior art based on the task of a fiber optic displacement sensor create, which allows a large Dynamic range with simultaneous short-term and long-term to create stability of the sensor.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Sensor erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 2 oder 3 gelöst.This task is for a sensor mentioned at the beginning according to the invention by the characterizing features of Claims 1, 2 or 3 solved.
Wenn im Sensorast ein paralleles Sensorlichtbündel erzeugt wird, dessen optische Achse mit einem Winkel von wenigen Grad gegenüber der Normalen auf der von dem Sensorlicht bündel beleuchteten Fläche der Spiegel verkippt ist, ist die von dem Spiegel zurückgestreute Intensität groß. Die zurückgestreute Intensität verändert sich jedoch mit dem Abstand der Spiegeloberfläche von der Sensorastlinse, so daß die zurückgestreute Intensität des reflektierten Sensorlichtbündels eine Funktion der Position des Spiegels ist. Die Winkelabhängigkeit der Messung gestattet im Zusammenhang mit dem Durchmesser des parallelen Licht bündels und dem Abstand Linse-Spiegel eine Erfassung sehr feiner Positionsunterschiede des Spiegels.When a parallel sensor light beam is generated in the sensor branch whose optical axis is at an angle of a few Degrees from normal to that of the sensor light the illuminated surface of the mirror is tilted the intensity scattered back from the mirror is great. The backscattered intensity changes with that Distance of the mirror surface from the sensor lens, see above that the backscattered intensity of the reflected Sensor light beam is a function of the position of the mirror is. The angle dependency of the measurement allows in Relation to the diameter of the parallel light bundle and the distance lens-mirror a detection very fine differences in position of the mirror.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Linsen Gradientenindexlinsen, die eine einfache Erzeugung von parallelen Lichtbündeln von aus Lichtwellenleitern austretendem Licht gestatten.In an advantageous embodiment, the Lenses gradient index lenses that are easy to produce of parallel bundles of light from fiber optics allow emerging light.
Der Winkel zwischen den optischen Achsen des Referenzastes bzw. des Sensorastes beträgt vorzugsweise wenige Grad. Durch den vorbestimmten Wert des Winkels ist der Meßbereich der Position voreinstellbar.The angle between the optical axes of the reference branch or the sensor branch is preferably a few degrees. The measuring range is determined by the predetermined value of the angle the position can be preset.
Vorteilhafterweise wird die Referenzfaser wesentlich länger als die Sensorfaser ausgebildet, so daß nur das üblicherweise stärkere Referenzsignal eine erhöhte Wegdämpfung erfährt. The reference fiber advantageously becomes essential longer than the sensor fiber, so that only that usually stronger reference signal an increased path damping experiences.
Dadurch, daß in der Referenzfaser, in der Sensorfaser und der Übertragungsfaser mit in Bezug auf den Durchmesser der Fasern kleinem Krümmungsradius gewickelte enge Verlängerungsschleifen vorgesehen sind, kann in einfacher Weise eine für die Überkopplung von Signalen notwendige Modenmischung durchgeführt werden.The fact that in the reference fiber, in the sensor fiber and of the transmission fiber with respect to the diameter of the Narrow radius fibers wound tight extension loops can be provided in a simple manner a mode mix necessary for the coupling of signals be performed.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments are in the subclaims featured.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtBelow are three embodiments of the invention explained in more detail with reference to the drawing. It shows
Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen faserop tischen Wegsensor gemäß einem ersten Ausfüh rungsbeispiel, Fig. 1, for example approximately an axial longitudinal section through a schematically faserop displacement sensor according to a first exporting,
Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch einen faserop tischen Wegsensor gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel und Fig. 2 shows an axial longitudinal section through a fiber optic displacement sensor according to a second example and Ausfüh
Fig. 3 einen axialen Längsschnitt durch einen faserop tischen Wegsensor gemäß einem dritten Ausfüh rungsbeispiel. Fig. 3 shows an axial longitudinal section through a fiber optic displacement sensor according to a third example.
Die Fig. 1 zeigt einen schematisch dargestellten faseropti schen Wegsensor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der faseroptische Wegsensor 1 ist in einem mehrere Kammern aufweisenden Gehäuse 2 angeordnet. An einem stirnseitigen Ende 3 des Gehäuses 2 ist eine Bohrung vorgesehen, in die eine Lichtwellenleiter-Steckverbindung 5 eingebracht ist. An die Steckverbindung 5 ist ein Übertragungslichtwellen leiter 6 angeschlossen. Fig. 1 shows a schematically shown fiber optical rule displacement sensor 1 according to a first embodiment. The fiber-optic displacement sensor 1 is arranged in a housing 2 having a plurality of chambers. At a front end 3 of the housing 2 , a bore is provided, into which an optical fiber connector 5 is introduced. At the connector 5 , a transmission light wave conductor 6 is connected.
Der Übertragungslichtwellenleiter 6 und alle weiteren unten genannten Lichtwellenleiter sind vorteilhafterweise Multimode-Lichtwellenleiter mit einem Kerndurchmesser im 50-Mikrometerbereich und einer Umhüllung mit 125 Mikro meter Durchmesser.The transmission light waveguide 6 and all other optical waveguides mentioned below are advantageously multimode optical waveguides with a core diameter in the 50-micrometer range and an envelope with a diameter of 125 micrometers.
Der Übertragungslichtwellenleiter 6 geht an seinem in der Fig. 1 nicht gezeichneten wegsensorfernen Ende in einen Verzweiger über, der das von dem faseroptischen Wegsensor stammende Licht in eine Detektorfaser überleitet, die an einen Lichtdetektor angeschlossen ist. Der dritte Ast des Verzweigers ist an eine Lichtquelle angeschlossen, vorzugsweise an eine Lumineszenzdiode oder eine andere Halbleiterlichtquelle, die von einer gepulst arbeitenden Stromversorgungsschaltung angesteuert wird und die das zur Messung erforderliche Licht erzeugt.The transmission optical waveguide 6 is at its in FIG. 1, not shown, displacement sensor distal end in a splitter over the leads on the light originating from the fiber optic displacement sensor light into a detector fiber which is connected to a light detector. The third branch of the branch is connected to a light source, preferably to a luminescent diode or another semiconductor light source, which is controlled by a pulsed power supply circuit and which generates the light required for the measurement.
Die von der Lumineszenzdiode ausgesandten Lichtimpulse werden im Übertragungslichtwellenleiter 6 zu dem faser optischen Wegsensor 1 hingeführt und treten durch die Lichtwellenleiter-Steckverbindung 5 in einen im ersten Abschnitt 7 des Gehäuses 2 vorgesehenen Verbindungslicht wellenleiter 9 ein. Die Lichtwellenleiter-Steckverbindung 5 ist z. B. eine Verbindung auf Stoß zwischen dem Übertra gungslichtwellenleiter 6 und dem Verbindungslichtwellen leiter 9. Diese Verbindung ist leicht herstellbar und wieder zu lösen.The light pulses emitted by the luminescence diode are guided in the transmission optical waveguide 6 to the fiber-optic displacement sensor 1 and enter through the optical waveguide plug connection 5 into a connecting light waveguide 9 provided in the first section 7 of the housing 2 . The optical fiber connector 5 is z. B. a connection between the transmission light transmission waveguide 6 and the connection light waveguide 9 . This connection is easy to establish and to release.
Die durch den Übergang von Strahlung von dem Übertra gungslichtwellenleiter 6 in den Verbindungslichtwellen leiter 9 in der Steckverbindung 5 hervorgerufene Polari sierung des Lichtes und die einseitige Anregung ver schiedener Moden in dem Verbindungslichtwellenleiter 9 wird durch einige enge Radien 10 des Verbindungslichtwellen leiter 9, die eine Modenmischung bewirken, aufgehoben. Die Modenmischung verbessert das Verzweigungsverhältnis in einem anschließenden 3-Wege-Koppler 11. Der Verbindungs lichtwellenleiter 9 wird in dem 3-Wege-Koppler 11 in eine Referenzfaser 12 eines Referenzastes 14 und eine Sensor faser 13 eines Sensorastes 16 aufgeteilt.The caused by the transition of radiation from the transmission light waveguide 6 in the connecting light waveguide 9 in the plug connection 5 polarization of the light and the one-sided excitation of different modes in the connecting light waveguide 9 is caused by some narrow radii 10 of the connecting light waveguide 9 , which mixes modes effect, canceled. The mode mixing improves the branching ratio in a subsequent 3-way coupler 11 . The connecting optical fiber 9 is divided in the 3-way coupler 11 into a reference fiber 12 of a reference branch 14 and a sensor fiber 13 of a sensor branch 16 .
Die Referenzfaser 12 weist Verlängerungsschleifen 15 zum Modenmischen auf und ihr 3-Wege-Koppler-fernes Ende ist in einer Stirnfläche eines hohlzylindrischen Lichtwellen leiter-Halters 17 verklebt oder verlötet. Der Lichtwellen leiter-Halter 17 ist in eine den entsprechenden Durchmesser aufweisende hohlzylindrische Fassung 18 eingeschoben, in der eine zylindrische Gradientenindexlinse 19 befestigt ist. Die Gradientenindexlinse 19 weist eine Länge von ¼- pitch auf, d. h. daß das in dem Lichtwellenleiter geführte Licht bei der Verbindung des Lichtwellenleiters auf Stoß mit einer Stirnseite der Gradientenindexlinse an der anderen Stirnseite der Gradientenindexlinse in einem parallelen Lichtbündel austritt.The reference fiber 12 has extension loops 15 for mode mixing and its 3-way coupler-distal end is glued or soldered in an end face of a hollow cylindrical optical waveguide holder 17 . The optical waveguide holder 17 is inserted into a hollow cylindrical socket 18 having the corresponding diameter, in which a cylindrical gradient index lens 19 is fastened. The gradient index lens 19 has a length of 1/4 pitch, that is to say that the light guided in the optical waveguide emerges in a parallel light bundle when the optical waveguide is connected to an end face of the gradient index lens on the other end face of the gradient index lens.
Der Lichtwellenleiter-Halter 17 ist auf Stoß gegen die Gradientenindexlinse 19 vorgeschoben und durch Kleben in der Fassung 18 in dieser Stellung fixiert. Für eine Klebung oder Lötung sind in der Fassung 18 seitlich Löcher 20 vorgesehen, in die eine Klebstoffmasse einführbar ist. Dadurch wird die Linsen- und die Lichtwellenleiter stirnfläche vor Benetzen durch den Klebstoff geschützt. Die Fassung 18 mit dem in sie eingeführten Lichtwellen leiter-Halter 17 und der Gradientenindexlinse 19 ragt durch eine Trennwand 22 des Gehäuses 2 in ein staubgeschütztes Volumen 24 hinein. Die Fassung 18 ist in der Trennwand 22 eingeschraubt, eingelötet oder eingeklebt. In einer anderen Ausgestaltung des Sensors 1 sind Einstellmittel vorgesehen, um den Winkel zwischen der Trennwand 22 und der Achse der Fassung 18 einzustellen oder zu verändern.The optical waveguide holder 17 is pushed against the gradient index lens 19 and fixed in this position by gluing in the holder 18 . For gluing or soldering, holes 20 are laterally provided in the holder 18 , into which an adhesive mass can be introduced. This protects the lens and optical fiber end faces from being wetted by the adhesive. The socket 18 with the light waveguide holder 17 inserted into it and the gradient index lens 19 protrude through a partition 22 of the housing 2 into a dust-proof volume 24 . The socket 18 is screwed, soldered or glued into the partition 22 . In another embodiment of the sensor 1 , setting means are provided in order to set or change the angle between the partition wall 22 and the axis of the holder 18 .
Um nachteilige Reflexe beim Übergang von der Referenz faser 12 in die Gradientenindexlinse 19 des Sensors 1 zu unterdrücken, sind die Stirnflächen der Referenzfaser 12 und der Gradientenindexlinse 19 mit einer reflexmindernden Beschichtung versehen.To adverse reflections in the transition from the reference to suppress the gradient index lens 19 of the fiber sensor 1 12, the end faces of the reference fiber 12 and the GRIN lens are provided with an antireflective coating 19th
Der Spiegel 25 ist im wesentlichen parallel zu der Trenn wand 22, die rechtwinklig auf der Verschieberichtung des Spiegels 25 steht, und normal zu der Gradientenindexlin se 19 in dem Volumen 24 eingespannt. Der Spiegel 25 verfügt über zwei Spiegelabschnitte 41 und 43. Der Referenz- Spiegelabschnitt 41 erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Trennwand 22, während der Sensor-Spiegelabschnitt 43 einen kleinen Winkel 46 mit der Trennwand 22 aufweist.The mirror 25 is substantially parallel to the partition wall 22 , which is perpendicular to the direction of displacement of the mirror 25 , and normal to the Gradientindexlin se 19 clamped in the volume 24 . The mirror 25 has two mirror sections 41 and 43 . The reference mirror section 41 extends essentially parallel to the partition wall 22 , while the sensor mirror section 43 has a small angle 46 with the partition wall 22 .
Der Spiegel 25 ist auf einem geführten Stößel 26 montiert, der sich durch zwei weitere, zu der Trennwand 22 parallele Trennwände 22′ und 22′′ hindurcherstreckt. Der Stößel 26 erstreckt sich durch die Mitte einer kreisförmigen gewellten Membran 30 und ist mit dieser dichtend fest verbunden. Er tritt dabei durch zwei miteinander fluchtende Flansche 29 hindurch und wird durch diese geführt. Das über der Membran liegende Volumen verfügt über einen Auslaß 31. Die Zufuhr des Meßdrucks erfolgt durch einen Einlaß 31′ in das unter der Membran befindliche Volumen. Das die Membran 30 enthaltende Volumen ist mit einem Filter 32 abgedichtet, damit z. B. keine Staubteilchen in das Volumen eindringen können. Dadurch sind die leichtgängigen Flansche 29 sowie die Oberfläche des Spiegels 25 wirkungs voll vor Verschmutzung geschützt. Dieser als Relativdruck- bzw. Durchflußmesser ausgestaltete Sensor mißt die Durchflußgeschwindigkeit durch die von dem Stößel 26 übertragene Bewegung des Spiegels 25.The mirror 25 is mounted on a guided plunger 26 which extends through two further, parallel to the partition 22 partitions 22 ' and 22'' extends through. The plunger 26 extends through the center of a circular corrugated membrane 30 and is tightly connected to it. It passes through two flanges 29 aligned with one another and is guided through them. The volume above the membrane has an outlet 31 . The supply of the measuring pressure takes place through an inlet 31 ' in the volume located under the membrane. The volume containing the membrane 30 is sealed with a filter 32 so that, for. B. no dust particles can penetrate into the volume. As a result, the smooth-running flanges 29 and the surface of the mirror 25 are effectively protected against contamination. This sensor, designed as a relative pressure or flow meter, measures the flow rate through the movement of the mirror 25 transmitted by the plunger 26 .
Die Achse 33 der Referenzast-Gradientenindexlinse 19 steht rechtwinklig zu der Oberfläche des ersten Spie gelabschnitts 41. Das von der externen Lumineszenzdiode gelieferte Licht, welches in der Referenzfaser 12 geführt wird, beaufschlagt den ersten Spiegelabschnitt 41 in einem parallelen Referenzlichtbündel 34, dessen optische Achse 33 parallel zu dem Stößelstab 26′ verläuft, so daß das reflektierte Referenzlichtbündel 36 zu einem Großteil unabhängig von dem Abstand der Austrittsfläche der Gradien tenindexlinse 19 von der Oberfläche des ersten Spie gelabschnitts 41 in die Referenzfaser 12 zurückgespeist wird.The axis 33 of the reference branch gradient index lens 19 is perpendicular to the surface of the first mirror section 41 . The light supplied by the external light emitting diode, which is guided in the reference fiber 12 , acts on the first mirror section 41 in a parallel reference light bundle 34 , the optical axis 33 of which runs parallel to the push rod 26 ' , so that the reflected reference light bundle 36 is largely independent of the distance of the exit surface of the gradient index lens 19 from the surface of the first mirror section 41 is fed back into the reference fiber 12 .
Die Sensorfaser 13 verfügt über Verlängerungsschleifen 45 und endet in einem weiteren hohlzylindrischen Lichtwellen leiter-Halter 37, der in einer hohlzylindrischen Fassung 38 fixiert ist. Die Fassung 38, in der eine Sensorast- Gradientenindexlinse 39 der Länge von ¼-pitch auf Stoß mit der Sensorfaser 13 angeordnet ist, ist im wesentlichen parallel zu der Referenzast-Fassung 18 in der Trennwand 22 fixiert. Die Verlängerungsschleifen 15 und 45 haben eine wesentlich unterschiedliche Länge, vorzugsweise ist die Verlängerungsschleife 15 der Referenzfaser 12 bedeutend länger. Der Längenunterschied zwischen den Verlängerungs schleifen 15 und 45 beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 50 Metern, z. B. also 20 Meter.The sensor fiber 13 has extension loops 45 and ends in a further hollow cylindrical light waveguide holder 37 which is fixed in a hollow cylindrical socket 38 . The socket 38 , in which a sensor branch gradient index lens 39 with a length of ¼ pitch is arranged in abutment with the sensor fiber 13 , is fixed in the partition 22 essentially parallel to the reference branch socket 18 . The extension loops 15 and 45 have a substantially different length, preferably the extension loop 15 of the reference fiber 12 is significantly longer. The length difference between the extension loops 15 and 45 is preferably between 10 and 50 meters, for. B. 20 meters.
Das Sensorlichtbündel 42 tritt parallel aus der Gradien tenindexlinse 39 heraus und trifft auf den zweiten, seitlichen Spiegelbereich 43 unter einem kleinen Winkel 46, so daß das reflektierte Sensorlichtbündel 44 mit dem doppelten Winkel 46 ausgelenkt wird und zu einem geringeren Anteil in die Stirnfläche der Gradientenindexlinse 39 eintritt, die das reflektierte Sensorlichtbündel 44 durch Fokussieren auf den Faserkern in die Sensorfaser 13 zurückspeist. In der Fig. 1 ist zur Verdeutlichung die seitliche Auslenkung des reflektierten Sensorlicht bündels 44 übertrieben gezeichnet. Unter üblichen Betriebsbedingungen wird ein größerer Anteil des re flektierten Sensorlichtbündels 44 in die Gradientenindex linse 39 zurückgespeist. Der kleine Winkel 46 beträgt z. B. ein Grad.The sensor light bundle 42 emerges in parallel from the gradient index lens 39 and strikes the second, lateral mirror region 43 at a small angle 46 , so that the reflected sensor light bundle 44 is deflected at a double angle 46 and to a lesser extent into the end face of the gradient index lens 39 occurs, which the reflected sensor light bundle 44 feeds back into the sensor fiber 13 by focusing on the fiber core. In Fig. 1, the lateral deflection of the reflected sensor light bundle 44 is exaggerated for clarity. Under normal operating conditions, a larger proportion of the re fl ected sensor light bundle 44 is fed back into the gradient index lens 39 . The small angle 46 is z. B. a degree.
Die Intensität des durch die Sensor-Gradientenindexlinse 39 aufgefangenen reflektierten Sensorlichtbündels 44 ist dem Überdeckungsverhältnis des Sensorlichtbündels 44 mit der Öffnung der Gradientenindexlinse 39 proportional. Die zu erfassende Bewegung kann auch durch ein Übertragungsmittel von außen auf das untere Ende des Stößelstabes 26′ übertragen werden, wobei das Übertragungsmittel durch eine in der Fig. 1 nicht dargestellte seitliche Öffnung in die unterste Kammer des Gehäuses 2 ragt. Dabei kann in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ein einseitig eingespannter Bimetallstreifen zur Temperaturmessung mit seinem freien Ende an dem Stößelstab 26′ befestigt werden, um den Spiegel 25 in Richtung des Stößels 26 zu bewegen. Das in die Sensorfaser 13 eingespeiste Licht wird weiter über die Übertragungsfaser 6 zum Lichtdetektor geführt. Die Verlängerungsschleife 45 bewirkt dabei wie die Verlän gerungsschleife 15 eine Depolarisierung und Modenmischung der durch den Übergang Gradientenindexlinse-Faser teilpola risierten zurückgestreuten Strahlung 36 bzw. 44.The intensity of the collected by the sensor-gradient index lens 39 the reflected light beam sensor 44 is 44 proportional to the contact ratio of the sensor beam with the opening of the gradient index. 39 The movement to be detected can also be transmitted by a transmission means from the outside to the lower end of the push rod 26 ' , the transmission means protruding through a side opening, not shown in FIG. 1, into the lowermost chamber of the housing 2 . In another embodiment of the invention, a bimetallic strip clamped on one side for temperature measurement can be attached with its free end to the plunger rod 26 'in order to move the mirror 25 in the direction of the plunger 26 . The light fed into the sensor fiber 13 is guided further via the transmission fiber 6 to the light detector. The extension loop 45 , like the extension loop 15, causes depolarization and mode mixing of the back-scattered radiation 36 and 44, which is partially polarized by the transition from gradient index lens to fiber.
An dem Detektor trifft das Licht des reflektierten Sensor lichtbündels 44 durch die unterschiedlichen Längen der Verlängerungsschleifen 15 und 45 zeitlich versetzt zu dem Licht des reflektierten Referenzlichtbündels 34 der Re ferenzfaser 12 ein. Aus dem Verhältnis der beiden zeitlich nacheinander eintreffenden Lichtintensitäten ist die Bewegung des Spiegels 25 und damit die Bewegung des Stößelstabes 26′ bestimmbar. Alterungseffekte der Spiegel 25, die zu einer geänderten Reflektivität derselben führen bzw. Änderungen der Reflektivität aufgrund von erhöhten Temperaturen betreffen die Reflektion im Referenzast 12 und im Sensorast 13 gleicherweise, so daß das erfaßte Lichtsignal wegunabhängig ist. Dämpfungen auf der Übertragungsfaser 6 sind ebenfalls ohne Einfluß auf das Meßergebnis.At the detector, the light of the reflected sensor light bundle 44 arrives at different times from the light of the reflected reference light bundle 34 of the reference fiber 12 due to the different lengths of the extension loops 15 and 45 . From the ratio of the two successively arriving light intensities, the movement of the mirror 25 and thus the movement of the plunger rod 26 'can be determined. Aging effects of the mirrors 25 , which lead to a changed reflectivity thereof, or changes in the reflectivity due to increased temperatures affect the reflection in the reference branch 12 and in the sensor branch 13 equally, so that the detected light signal is independent of the path. Attenuations on the transmission fiber 6 also have no influence on the measurement result.
Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen Querschnittsan sicht einen faseroptischen Wegsensor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der faseroptische Wegsensor 1 ist in dem Gehäuse 2 angeordnet, wobei auf die Darstellung der oberen Wände verzichtet wurde. Der Übertragungslicht wellenleiter 6, der an seinem wegsensorfernen Ende in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verzweiger analog zur Fig. 1 übergeht, ist an eine Spliceverbindung oder an eine Steckverbindung 49 angeschlossen. Die von der, wie in der Fig. 1 angeordneten Lumineszenzdiode ausgesandten Licht impulse werden im Übertragungslichtwellenleiter 6 zu dem faseroptischen Wegsensor 1 hingeführt und treten durch die Steckverbindung 49 in den Verbindungslichtwellenleiter 9 ein. Der Verbindungslichtwellenleiter 9 wird in dem 3- Wege-Koppler 11 in die Referenzfaser 12 und die Sensor faser 13 aufgeteilt. Fig. 2 shows a schematic cross-sectional view of a fiber optic displacement sensor 1 according to a second embodiment. The fiber-optic displacement sensor 1 is arranged in the housing 2 , the upper walls not being shown. The transmission light waveguide 6 , which merges at its end remote from the displacement sensor into a branching device (not shown in the drawing) similar to FIG. 1, is connected to a splice connection or to a plug connection 49 . The light pulses emitted by the luminescence diode arranged in FIG. 1 are guided in the transmission light waveguide 6 to the fiber optic displacement sensor 1 and enter the connection light waveguide 9 through the plug connection 49 . The connecting light waveguide 9 is divided in the 3-way coupler 11 into the reference fiber 12 and the sensor fiber 13 .
Die Referenzfaser 12 ist in der Fassung 18 fixiert. Die Fassung 18 mit dem in sie eingeführten Lichtwellenleiter- Halter 17 und der Gradientenindexlinse 19 ragt durch die Trennwand 22 des Gehäuses 2 in das Volumen 24 hinein. Der Spiegel 25 ist im wesentlichen parallel zu der Trenn wand 22 in dem Volumen 24 eingespannt.The reference fiber 12 is fixed in the socket 18 . The socket 18 with the optical waveguide holder 17 inserted into it and the gradient index lens 19 projects through the partition wall 22 of the housing 2 into the volume 24 . The mirror 25 is clamped substantially parallel to the partition 22 in the volume 24 .
Die Fassung 18 ist im wesentlichen so angeordnet, daß die Achse 33 der Gradientenindexlinse 19 im Referenzast 14 rechtwinklig zu der Oberfläche des Spiegels 25 steht. Das von der externen Lumineszenzdiode gelieferte Licht, welches in der Referenzfaser 12 geführt ist, beaufschlagt den Spiegel 25 mit dem parallelen Referenzlichtbündel 34.The mount 18 is essentially arranged so that the axis 33 of the gradient index lens 19 in the reference branch 14 is perpendicular to the surface of the mirror 25 . The light supplied by the external luminescence diode, which is guided in the reference fiber 12 , acts on the mirror 25 with the parallel reference light bundle 34 .
Die Sensorfaser 13 ist in der Fassung 38 fixiert, in der eine weitere Gradientenindexlinse 39 des Sensorastes 16 auf Stoß mit der Sensorfaser 13 angeordnet ist. Die Fassung 38 des Sensorastes 16 ist in einem Winkel 50 zu der Fassung 18 des Referenzastes 14 in der Trennwand 22 so fixiert, daß die Achse 48 der Sensorast-Gradientenindex linse 39 in einem kleinen Winkel zu der Oberfläche des seitlichen Spiegelbereichs 25 steht. Dabei ist der Abstand der Auftreffpunkte der Lichtbündel 34 und 42 auf dem Spiegel 25 zueinander kleiner als der Abstand der Stirn flächen der Gradientenindexlinsen 19 und 39. Der Wert des kleinen Winkels 50 liegt im gleichen Bereich wie der Winkel 46, nämlich vorzugsweise zwischen 0,2 und 10 Grad.The sensor fiber 13 is fixed in the holder 38 , in which a further gradient index lens 39 of the sensor branch 16 is arranged in abutment with the sensor fiber 13 . The socket 38 of the sensor branch 16 is fixed at an angle 50 to the socket 18 of the reference branch 14 in the partition wall 22 such that the axis 48 of the sensor branch gradient index lens 39 is at a small angle to the surface of the lateral mirror region 25 . The distance between the points of incidence of the light bundles 34 and 42 on the mirror 25 to one another is smaller than the distance between the end faces of the gradient index lenses 19 and 39 . The value of the small angle 50 is in the same range as the angle 46 , namely preferably between 0.2 and 10 degrees.
Das Sensorlichtbündel 42 tritt parallel aus der Gradien tenindexlinse 39 heraus und trifft auf den Spiegel 25 unter einem kleinen Winkel, so daß das reflektierte Sensor lichtbündel 44 je nach Position des Spiegels 25 entspre chend mehr oder weniger in sich selbst reflektiert wird und zu einem maximalen in die Sensorfaser 13 eingespeisten Signal führt.The sensor light beam 42 occurs in parallel from the Gradien tenindexlinse 39 out and strikes the mirror 25 at a small angle, so that the reflected sensor light beam 44 depending on the position of the mirror 25 accordingly more or less in itself is reflected, and to a maximum in the sensor fiber 13 leads fed signal.
Der Spiegel 25 ist auf einem Faltenbalg 51 angeordnet, der normal zu den eine einheitliche Spiegeloberfläche bildenden Spiegelabschnitten 41 und 43 beweglich ist. Der Faltenbalg 51 kann durch direkte Beaufschlagung eines Überdruckes von seiner Öffnung 52 her bewegt werden oder durch die Erzeugung eines Überdruckes durch einen, in der Fig. 2 nicht dargestellten, die Öffnung 52 verschließenden Druckstößel, so daß die Bewegung des Druckstößels normal zu der Spiegeloberfläche mit großer Genauigkeit erfaßbar ist.The mirror 25 is arranged on a bellows 51 , which is movable normally to the mirror sections 41 and 43 forming a uniform mirror surface. The bellows 51 can be moved by directly applying an overpressure from its opening 52 or by generating an overpressure by a pressure tappet, not shown in FIG. 2, closing the opening 52 , so that the movement of the pressure tappet is normal to the mirror surface great accuracy is detectable.
Der Abstand zwischen der vorderen Gradientenindexlinse 19 und der Spiegelmitte beträgt ungefähr 18 Millimeter. Der Durchmesser des Spiegels 25 beträgt ungefähr 10 Millimeter, wobei die Referenzast-Gradientenindexlinse 19 und die Sensor-Gradientenindexlinse 39 in einem seitlichen Abstand von 5 Millimetern bezüglich der Referenzast-Gradienten indexlinse 19 angeordnet ist. Die parallelen Lichtstrahlen 34, 36, 42 und 44 weisen ungefähr einen Durchmesser von einem Millimeter auf. Die erfaßbare Bewegung des Spiegels 25 beträgt dabei ungefähr 150 Mikrometer.The distance between the front gradient index lens 19 and the mirror center is approximately 18 millimeters. The diameter of the mirror 25 is approximately 10 millimeters, wherein the Referenzast-gradient index lens 19 and the sensor-gradient index of Referenzast gradient index lens 19 is positioned with respect to a lateral distance of 5 millimeters. 39 The parallel light beams 34, 36, 42 and 44 have a diameter of approximately one millimeter. The detectable movement of the mirror 25 is approximately 150 micrometers.
Die Fig. 3 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen faseroptischen Wegsensor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der faseroptische Wegsensor 1 ist in dem Gehäuse 2 angeordnet. An dem stirnseitigen Ende 3 des Gehäuses 2 ist die Lichtwellenleiter-Steckverbindung 5 eingebracht und an den Übertragungslichtwellenleiter 6 angeschlossen. Der Übertragungslichtwellenleiter 6 ist an seinem wegsensorfernen Ende analog wie im ersten Ausfüh rungsbeispiel mit den dort beschriebenen Elementen verbunden. Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view of a fiber optic displacement sensor 1 according to a third embodiment. The fiber optic displacement sensor 1 is arranged in the housing 2 . At the front end 3 of the housing 2 , the optical fiber connector 5 is introduced and connected to the transmission optical fiber 6 . The transmission light waveguide 6 is connected at its end sensor distal end analogously as in the first exemplary embodiment with the elements described there.
Die von der, zu diesen Elementen gehörenden Lumineszenzdi ode ausgesandten Lichtimpulse werden im Übertragungslicht wellenleiter 6 zu dem faseroptischen Wegsensor 1 hingeführt und treten durch die Lichtwellenleiter-Steckverbindung 5 und den sich anschließenden 3-Wege-Koppler 11 in den Re ferenzast 14 und den Sensorast 16 ein.The light pulses emitted by the luminescence diodes belonging to these elements are guided in the transmission light waveguide 6 to the fiber-optic displacement sensor 1 and pass through the optical waveguide plug connection 5 and the subsequent 3-way coupler 11 into the re ferenzast 14 and the sensor branch 16 a.
Die Fassung 18 mit dem in sie eingeführten Lichtwellen leiter-Halter 17 und der Gradientenindexlinse 19 ragt unter einem kleinen Winkel 53 durch die Trennwand 22 des Ge häuses 2 in das staubgeschützte Volumen 24 hinein. Die Fassung 18 ist in der Trennwand 22 eingeschraubt, eingelötet oder eingeklebt. In einer anderen Ausgestaltung des Sensors 1 sind Einstellmittel vorgesehen, um den Winkel zwischen der Trennwand 22 und der Achse der Fassung 18 einzustellen oder zu verändern.The socket 18 with the optical waveguide holder 17 inserted into it and the gradient index lens 19 protrudes at a small angle 53 through the partition 22 of the housing 2 into the dust-proof volume 24 . The socket 18 is screwed, soldered or glued into the partition 22 . In another embodiment of the sensor 1 , setting means are provided in order to set or change the angle between the partition wall 22 and the axis of the holder 18 .
Der Spiegel 25 mit seiner reflektierenden Oberfläche ist unter dem kleinen Winkel 53 zu der Trennwand 22 und normal zu der Achse der Gradientenindexlinse 19 in dem Volumen 24 eingespannt. Die zwei Spiegelabschnitte 41 und 43 bilden eine einheitliche reflektierende Oberfläche des Spiegels 25.The mirror 25 with its reflecting surface is clamped in the volume 24 at the small angle 53 to the partition wall 22 and normal to the axis of the gradient index lens 19 . The two mirror sections 41 and 43 form a uniform reflecting surface of the mirror 25 .
Der Spiegel 25 ist auf einer Druckdose 54 montiert, die sich zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 2 erstreckt. Das die Membran der Druckdose 54 enthaltende Volumen verfügt über einen Auslaß 31 zur Druckkompensation, der mit einem Filter 32 abgedichtet ist, damit z. B. keine Staubteilchen in das Volumen eindringen können. Dadurch ist die Oberfläche des Spiegels 25 wirkungsvoll vor Verschmutzung geschützt.The mirror 25 is mounted on a pressure cell 54 which extends between the side walls of the housing 2 . The volume containing the membrane of the pressure cell 54 has an outlet 31 for pressure compensation, which is sealed with a filter 32 so that, for. B. no dust particles can penetrate into the volume. As a result, the surface of the mirror 25 is effectively protected against contamination.
Die Achse 33 der Referenzast-Gradientenindexlinse 19 steht rechtwinklig zu der Oberfläche des ersten Spiegelab schnitts 41. Das von der externen Lumineszenzdiode gelieferte Licht, welches in der Referenzfaser 12 geführt wird, beaufschlagt den ersten Spiegelabschnitt 41 in einem parallelen Referenzlichtbündel 34, dessen optische Achse 33 normal auf dem Spiegel 25 steht, so daß das reflektierte Referenzlichtbündel 36 zu einem Großteil unabhängig von dem Abstand der Austrittsfläche der Gradientenindexlinse 19 von der Oberfläche des ersten Spiegelabschnitts 41 in die Referenzfaser 12 zurückgespeist wird.The axis 33 of the reference branch gradient index lens 19 is perpendicular to the surface of the first Spiegelab section 41st The light supplied by the external luminescence diode, which is guided in the reference fiber 12 , acts on the first mirror section 41 in a parallel reference light bundle 34 , the optical axis 33 of which is normal to the mirror 25 , so that the reflected reference light bundle 36 is largely independent of that Distance of the exit surface of the gradient index lens 19 from the surface of the first mirror section 41 is fed back into the reference fiber 12 .
Die Fassung 38, in der eine Sensorast-Gradientenindexlin se 39 der Länge von ¼-pitch auf Stoß mit der Sensor faser 13 angeordnet ist, ist in einem kleinen Winkel 46 zu der Fassung 18 in der Trennwand 22 fixiert, der z. B. dem Wert des Winkels 53 entspricht. Das Sensorlichtbün del 42 tritt parallel aus der Gradientenindexlinse 39 heraus und trifft auf den Spiegel 25 unter dem kleinen Winkel 46, so daß das reflektierte Sensorlichtbündel 44 mit dem doppelten Winkel 46 ausgelenkt wird und zu einem geringeren Anteil in die Stirnfläche der Gradientenindex linse 39 eintritt, die das reflektierte Sensorlicht bündel 44 durch Fokussieren auf den Faserkern in die Sensorfaser 13 zurückspeist. Der kleine Winkel 46 und damit der Winkel 53 beträgt z. B. ein Grad.The socket 38 , in which a sensor branch gradient index lens 39 of length ¼ pitch is arranged in abutment with the sensor fiber 13 , is fixed at a small angle 46 to the socket 18 in the partition 22 , which, for. B. corresponds to the value of the angle 53 . The Sensorlichtbün del 42 emerges in parallel from the gradient index lens 39 and strikes the mirror 25 at the small angle 46 , so that the reflected sensor light bundle 44 is deflected by the double angle 46 and enters to a lesser extent into the end face of the gradient index lens 39 , which feeds the reflected sensor light bundle 44 back into the sensor fiber 13 by focusing on the fiber core. The small angle 46 and thus the angle 53 is z. B. a degree.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlquer schnitt des Referenzlichtbündels 34 durch eine in der Nähe der Gradientenindexlinse 19 angeordnete Blende gegenüber dem Strahlquerschnitt des Sensorlichtbündels 42 verklei nert. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Referenzfaser 12 mit einer kleineren numerischen Apertur bzw. eine Gradientenindexlinse 19 mit einer kleineren numerischen Apertur vorgesehen, so daß der Strahlquer schnitt des aus der Gradientenindexlinse 19 austretenden Sensorlichtbündels 42 kleiner ist. Anstelle der Gradienten indexlinsen 19 und 39 können in einem großvolumigeren Sensor übliche Glaslinsen vorgesehen sein.In a further embodiment, the beam cross section of the reference light bundle 34 is reduced by a diaphragm arranged in the vicinity of the gradient index lens 19 compared to the beam cross section of the sensor light bundle 42 . In another embodiment of the invention, a reference fiber 12 is provided with a smaller numerical aperture or a gradient index lens 19 with a smaller numerical aperture, so that the beam cross section of the sensor light bundle 42 emerging from the gradient index lens 19 is smaller. Instead of the gradient index lenses 19 and 39 , conventional glass lenses can be provided in a sensor with a larger volume.
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