DE4013125A1 - Verfahren zur messung einer physikalischen groesse mit einem faseroptischen sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung ei­ ner physikalischen Größe mit einem faseroptischen Sen­ sor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den ursprünglich entwickelten, vom Prinzip her ein­ fachsten faseroptischen Sensoren, den leistungsmodulieren­ den Sensoren, besteht das Problem, daß die Lichtleistung nicht nur vom Sensor selbst, sondern auch von anderen Faktoren beeinflußt wird:

• - Alterung von Sender und Empfänger
• - Wechselnde Kopplungsgüte in faseroptischen Steckern
• - Unterschiedliche Längen der Zuleitungen
• - Biegungen und Vibrationen der Zuleitungen.

Das Signal von leistungsmodulierenden Sensoren kann daher nicht von diesen Störungen unterschieden werden.

In der Folge wurden Sensoren vorgeschlagen, bei denen die physikalische Meßgröße nicht als Leistungsmodulation kodiert ist, sondern anderen Parametern des Lichts, wie z.B. spektrale Zusammensetzung, Polarisation, Phase oder Phasenverzug, bei gepulstem Licht aufgeprägt wird. Diese Sensorprinzipien sind aber meist nur für wenige Meßgrößen geeignet und erfordern fast immer einen wesentlich höhe­ ren Aufwand als die ursprünglichen Sensoren mit Leistungs­ modulation.

Einen Ausweg schaffen die sog. Referenzsensoren, bei denen die Dämpfung auf den Zuleitungen separat erfaßt wird. Durch Division des verfälschten Sensorsignals durch das Referenzsignal, oder allgemein durch eine Rechenoperation, wird das wahre Sensorsignal bestimmt.

Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß alle bereits entwickelten leistungsmodulierenden Sensoren verwendet werden können, und daß wegen des einfachen Prin­ zips ohne Schwierigkeit maßgeschneiderte Lösungen gefun­ den werden können.

Diese Sensoren können außerdem sehr einfach aufgebaut sein, weil jeder optoelektronische Empfänger nur auf Licht­ leistung anspricht. Alle anderen optischen Größen wie Phase, spektrale Zusammensetzung oder Polarisation müs­ sen erst durch geeignete optische Zusatzeinrichtungen in Lichtleistung bzw. Leistungsmodulation umgesetzt werden, bevor sie von den Empfängern in ein elektronisches Signal umgewandelt werden.

Wichtige Voraussetzung für eine ausreichende Genauigkeit von Referenzsensoren ist, daß der Nutzlichtstrom - der Träger des verfälschten Sensorsignals - und der Referenz­ lichtstrom - der Träger des Referenzsignals - im genau gleichen Maß den Störeinflüssen ausgesetzt ist. Dies kann im allgemeinen nur erreicht werden, wenn beide Lichtströme in ein- und derselben Faser zum Sensor und zurückgeleitet werden und sich bezüglich numerischer Apertur (Öffnungs­ winkel des Lichtkegels) und spektraler Zusammensetzung entweder nicht oder nur geringfügig unterscheiden. Da normalerweise der Referenzlichtstrom nicht moduliert wird, auf jeden Fall nicht in gleicher Weise wie der Nutzlicht­ strom, muß er vor dem Sensor der Referenzlichtstrom ausge­ koppelt, am Sensor vorbeigeführt und wieder in die gemein­ same Rückleitungsfaser eingekoppelt werden.

Die Aufteilung der beiden Lichtströme muß zeitlich kon­ stant oder mindestens in definierter Art und Weise erfol­ gen. Hier zeigt sich, daß alle bisher vorgeschlagenen Verfahren auf Schwierigkeiten stoßen:

• - Das Teilverhältnis faseroptischer Teiler ist abhängig vom Modenspektrum des Lichts und der Umgebungstemperatur ("Faseroptische Brückenschaltung" von Culshaw)
• - Das doppelbrechende Fabry-Perot-Element ist ebenfalls stark temperaturabhängig (DE-OS 35 28 294)
• - Durchlaßkurven von Interferenzfiltern und spektrale Sen­ dercharakteristik sind ebenfalls temperatur- bzw. alte­ rungsabhängig ("Fiber optic position sensor with spectral reference channel" von Griesinger und Spaude).

Da ein konstanter Teil des Lichtes nicht moduliert werden darf ("Referenz"), ist vor dem Sensor eine Aufteilung vor­ gesehen. Diese geschieht nur in bezug auf die Lichtleistung und kann z.B. rein räumlich im aufgeweiteten Strahl oder mit Strahlteilern erfolgen.

Die eingangs genannten bekannten faseroptischen Sensoren basieren auf dem Prinzip, daß ein Zweig des faseroptischen Systems die Lichtversorgung des Sensors und ein weiterer die Lichtrückführung bewirkt.

Dieses Prinzip der unidirektionalen Lichtführung ist bei den sog. Durchlichtsensoren eindeutig erfüllt, aber auch bei den Reflexionssensoren gegeben. Reflexionssensoren sind solche, bei denen sich der Reflexionsgrad in Abhän­ gigkeit von der physikalischen Größe ändert. Hier ist es oft zweckmäßig, die Lichtzu- und -rückführung in der glei­ chen Faser erfolgen zu lassen, üblicherweise geschieht aber an geeigneter Stelle die Aufteilung in eine Sende­ und Empfangsfaser.

Das Prinzip der permanenten unidirektionalen Lichtführung wird bei der bidirektionalen Lichtführung aufgegeben. Am Beispiel von Durchlichtsensoren - für Reflexionssensoren sind analoge Konzepte möglich, allerdings nicht mit der oben beschriebenen gemeinsamen Zu- und Rückführung - kann dann eine Anordnung mit einem einfachen faseroptischen Sensor realisiert werden, welche

• - die vollständige Erfassung von Leitungsverlusten und nachlassender Senderleistung bzw. Empfängerempfindlich­ keit ermöglicht
• - thermisch unkritische Elemente enthält und daher auch Langzeitkonstanz erwarten läßt
• - einen optisch einfachen Aufbau hat, und
• - in der konkreten Auslegung variabel bzw. flexibel gestal­ tet werden kann.

Ein (z.B. aus DE-OS 33 20 894, EP-A-01 75 358 oder GB-A­ 21 39 346) bekanntes Verfahren zur Messung einer physika­ lischen Größe mit einem faseroptischen Sensor sieht vor, Licht in zwei faseroptischen Sensorzuleitungen bidirektio­ nal zu führen, wobei die Sensorzuleitungen abwechselnd als Sende- und Empfangsfaser betrieben werden. Hierbei wird ein Teil des Nutzlichtstroms oder des Referenzlicht­ stroms am Sensor oder in dessen unmittelbarer Nähe reflek­ tiert. Da beide faseroptischen Sensorzuleitungen abwechselnd als Sende- und Empfangsfaser dienen, sind sie dementspre­ chend sowohl mit einem Sender als auch mit einem Empfänger ausgestattet. Derartige Elemente werden für bidirektionale faseroptische Kommunikationssysteme benötigt und sind im Handel erhältlich.

Sender und Empfänger sind für beide Zuleitungen vorzugs­ weise identisch ausgebildet und unterliegen keinen Ein­ schränkungen in spektraler Hinsicht.

Grundsätzlich ist es bei einer bekannten bidirektionalen Lichtführung nachteilig, daß ein definierter Teil des Lich­ tes in die Sendefaser zurückreflektiert wird. Es entstehen parasitäre Reflexionen, welche letztendlich das Meßverfah­ ren beeinträchtigen, d.h. zu Meßungenauigkeiten führen, es sei denn, daß durch besondere Vorkehrungen dafür Sorge getroffen wird, daß die parasitären Reflexionen entfallen.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des vorgenann­ ten Stands der Technik durch Schaffung eines Verfahrens zur Messung einer physikalischen Größe mit einem faser­ optischen Sensor mit Hilfe einfacher Mittel, dessen Signal von Störeinflüssen der faseroptischen Zuleitungen unabhän­ gig von Temperatur- und Alterungseffekten getrennt werden kann und insbesondere parasitäre Reflexionen verhindert.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß der Lichtstrom je nach Ausbreitungsrichtung durch eine Licht­ weiche in unterschiedliche Wege geleitet wird. Gelöst wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art, welche sich dadurch kennzeichnet, daß mindestens ein Lichtventil im gemeinsamen Strahlverlauf der Licht­ stromführung angeordnet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erstgenannten erfindungs­ gemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 und vorteilhafte Weiterbildungen des zweitgenannten erfin­ dungsgemäßen Verfahrens in den Unteransprüchen 6 bis 9 an­ geführt.

Durch die Erfindung entfällt mithin die Notwendigkeit der Reflexion eines definierten Teils des Lichts in die Sende­ faser wie bei der bidirektionalen Lichtführung, so daß keine parasitären Reflexionen gegeben sind. Mithin ist die Meßgenauigkeit des Verfahrens von Haus aus groß ohne Verwendung zusätzlicher Mittel.

Zwar ist aus JP-A 5 71 08 710 ein Verfahren zur Messung ei­ ner physikalischen Größe mit Hilfe eines Sensors bekannt. Der spezielle bekannte Sensor ist jedoch nicht für das Re­ ferenzverfahren vorgesehen, sondern verwendet die Verschie­ bung der Resonanzwellenlänge in einem sog. Fabry-Perot-Ele­ ment, welches gegenüber Temperaturveränderungen hochempfind­ lich ist und einer großen Genauigkeit bedarf. Das bekannte Meßverfahren ist nur vereinzelt anwendbar. Es verwendet ei­ nen Teilerspiegel, der nicht eine faseroptische Weiche im Sinne der vorliegenden Erfindung ist. Auch ist keine bidi­ rektionale Lichtführung vorgesehen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert: es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Form die Lichtstromführung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante 2 im Vergleich zu einer bekannten bidirektionalen Licht­ führung (Variante 1),

Fig. 2 eine Anordnung zur Messung einer physikalischen Größe mit einem einfachen faseroptischen Sensor unter Verwendung eines polarisierenden Strahltei­ lers (Variante 1),

Fig. 3 eine Anordnung ähnlich Fig. 1 unter Verwendung eines teilweise reflektierenden Strahlteilers (Variante 1) ,

Fig. 4 eine Anordnung ähnlich den vorgenannten Ausfüh­ rungsformen mit einer rein räumlichen Aufteilung zwischen Referenz- und Nutzlichtstrom im aufge­ weiteten Strahlengang (Variante 1),

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel mit variabler Auf­ teilung zwischen Referenz- und Nutzlichtstrom durch einen Sensor in Form eines reflektierenden Schie­ bers (Variante 1),

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit - je nach Fortpflan­ zungsrichtung unterschiedlicher Transmission für den Referenz- und Nutzlichtstrom (Variante 2),

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit - je nach Fortpflan­ zungsrichtung - unterschiedlicher Lichtwegführung für den Referenz- und Nutzlichtstrom (Variante 2),

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Lichtsende- und Empfangs­ teils unter Verwendung von Laserdioden, wobei das Prinzip der unterschiedlichen numerischen Apertur ausgenützt wird, und

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel für eine Drehzelle mit Faraday-Effekt.

In Fig. 1 sind in schematischer Darstellung die Lichtstrom­ führung zweier Ausführungsbeispiele gezeigt. Das eine Aus­ führungsbeispiel (Variante 1) gemäß Fig. 1a (Phase 1) und gemäß Fig. 1b (Phase 2) kennzeichnet sich dadurch, daß ein Teil des Nutzlichtstroms oder des Referenzlichtstroms am Sensor oder in dessen unmittelbarer Nähe reflektiert wird. Variante 1 wird im einzelnen nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 5 näher beschrieben.

Das andere Ausführungsbeispiel (Variante 2) gemäß den Fig. 1c (Phase 1) und gemäß Fig. 1d (Phase 2) kennzeichnet sich da­ durch, daß mit Hilfe eines Lichtventils bzw. einer Licht­ weiche der Lichtstrom in der einen Richtung über den Sen­ sor, in der anderen Richtung an den Sensor vorbeigelenkt wird, mithin eine richtungsabhängige Transmission von Nutz­ und Referenzlichtstrom erfolgt. Letztgenannte Variante 2 wird nachfolgend insbesondere anhand der Fig. 6 und 7 näher erläutert.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 besteht aus je einem Lichtsende- und Empfangsteil (14.1, 14.2), voneinander getrennt durch eine Blende (15), je eine faseroptische Zuleitung (6.1, 6.2) in Form von Lichtleitfasern, je einer Vorrichtung (8.1, 8.2) für das Aus- bzw. Einkoppeln des Referenzlichtstroms (12), sowie einem leistungsmodulierenden faseroptischen Sensor (10), der den Nutzlichtstrom (13) in eindeutiger Weise als Funktion der physikalischen Größe moduliert. Der Sensor (10) ist hier beispielhaft als absorbierender Schieber (10.1) gezeigt.

Für die Aufteilung des Lichts in einen Nutzlichtstrom (13) und einen Referenzlichtstrom (12) und für die teilweise Rückfüh­ rung des Referenzlichtstroms (12) sind an sich unterschied­ liche technische Ausführungen denkbar. Ein symmetrischer Auf­ bau bezüglich der beiden faseroptischen Zuleitungen (6.1, 6.2) ist nicht erforderlich, ermöglicht jedoch in der Regel eine einfachere Fertigung und Verdopplung der Stückzahlen der Ein­ zelkomponenten.

Insbesondere sind die Sender (1.1, 1.2) abwechselnd aktiviert, während beide Empfänger (3.1, 3.2) in Betrieb sind, wenn ei­ ner der Sender sendet.

Über die - wiederum beispielhaft gezeichneten - Linsen (2.1, 2.2), Strahlvereiniger (4.1, 4.2) und Linsen (5.1, 5.2) wird das Licht in die faseroptischen Zuleitungen (6.1, 6.2) einge­ koppelt. Der Lichtstrom am Ende der Faser wird mit Hilfe der Auskopplungsvorrichtung (8.1, 8.2) in Form von ersten polari­ sierenden Teilern aufgeteilt in einen Referenzlichtstrom (12) und einen Nutzlichtstrom (13) und jeweils wieder vereinigt. Die Umlenkspiegel (11.1, 11.2) sind ebenfalls als zweite pola­ risierende "Teiler" ausgestaltet, um den Polarisationsgrad zu erhalten. Da die Orientierung der Umlenkspiegel (11.1, 11.2) orthogonal zu derjenigen der ersten polarisierenden Teiler ist, wirken sie wie gewöhnliche Metallspiegel, bei denen je­ doch die Polarisation gestört würde. Das Wiedervereinigen von Referenz- und Nutzlichtstrom geschähe dann nicht mehr verlustfrei bzw. verlustarm.

Ein Teil des Referenzlichtstroms (12) wird am teildurchläs­ sigen Spiegel (9.1) reflektiert und läuft den identischen Weg rückwärts, bis ein Teil davon über die Strahlteiler (4.1, 4.2) auf den Empfänger (3.1, 3.2) trifft, der dem jeweils aktivierten Sender benachbart ist.

Der übrige nichtreflektierte Teil des Referenzlichtstroms (12) durchläuft den gleichen Weg wie der Signallichtstrom, der in den Strahlteilern (8.1, 8.2) wieder eingekoppelt wird.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Sensorkopfs. Die Strahlteiler (8.1, 8.2) sind als gewöhnliche leistungs­ teilende Teiler ausgebildet, wobei die außenliegenden und die den Fasern gegenüberliegenden Flächen (17) verspiegelt sind.

Beträgt das Teilungsverhältnis der Teiler (8.1, 8.2) 1 : 1, so werden die Lichtströme folgendermaßen aufgeteilt:

SF=1/2+1/6 · V
EF=1/3 · V

[SF=in die Sendefaser zurückreflektierter Lichtstrom]
[EF=in die Empfangsfaser transmittierender Lichtstrom]

Verluste bei Reflexion und Strahlteilung sind hierbei ver­ nachlässigt. V = Transmission des Sensors (10).

Fig. 4 zeigt eine einfache weitere Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Betriebs. Die Aufteilung zwischen Referenz- und Nutzlichtstrom geschieht rein räumlich im aufgeweiteten Strah­ lengang. Wie die vergrößerte Detailzeichnung entlang der Linie AA zeigt, wird dies einfach dadurch bewirkt, daß der faseroptische Sensor in Form eines Schiebers (10.2) den kreis­ förmigen Querschnitt (18) des gesamten Lichtstroms auch im ganz eingeschobenen Zustand nicht völlig abdeckt.

Da es aufwendig wäre, einen teildurchlässigen Spiegel so zu gestalten, daß er genau die vom Schieber (10.2) nicht abge­ deckten Flächen erfaßt, wird der Spiegel (9.2) gemäß Fig. 3 in den Strahlengang zwischen der Linse (7.1) und dem Umlenk­ spiegel (11.1) plaziert, wobei auch eine andere Anordnung denkbar ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist die Symmetrie nicht mehr gewahrt, und es ergeben sich folgende Lichtströme auf der Sensorseite der faseroptischen Zuleitungen (6.1, 6.2):

Sender 1.1 aktiviert:

SF=0,5; EF=0,5 · R+0,5 · N · V

Sender 1.2 aktiviert

SF=0,5 R+0,5 N V; EF=0,5 R+0,5 N V

R=Flächenanteil des Referenzlichtstrom,
N=Flächenanteil des Nutzlichtstroms,
V=Variable Transmission des Sensors.

In Fig. 5 ist der rein absorbierende Schieber (10.1) des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 durch einen reflektieren­ den ersetzt. Dies vereinfacht den Gesamtsensor und verhin­ dert Lichtverluste, bedeutet zugleich aber eine Einschrän­ kung der Sensorprinzipien. Der rein absorbierende Schieber steht dabei beispielhaft für alle leistungsmodulierenden Sensoren, während der reflektierende Schieber (10.2) gemäß den Fig. 4 und 5 diejenigen Sensoren (10) repräsentiert, bei denen die physikalische Größe in eine Verteilung zweier Lichtströme umgesetzt wird.

Für die Lichtströme auf der Sensorseite der faseroptischen Zuführungen (6.1, 6.2) gilt:

Sender (1.1) bzw. Sender (1.2) aktiviert:

SF=(1-V); EF=V

Die Notwendigkeit der Reflexion eines definierten Teils des Lichts in die Sendefaser zurück entfällt, wenn eine optische Weiche dafür sorgt, daß das in einer Richtung in die Faser­ strecke eingespeiste Licht in einen anderen Zweig des Sen­ sorsystems geleitet wird als dasjenige Licht, welches die Faserstrecke in entgegengesetzter Richtung durchläuft. Mit dieser "Einbahnregelung" ist es möglich, das Licht auf dem Hinweg durch das Sensorelement (10) - Nutzlichtstrom (13) - und auf dem Rückweg am Sensorelement vorbei - Referenzlicht­ strom (12) - zu leiten.

Wegen der Umkehrbarkeit der Lichtwege ist die Dämpfung in Fasern, Steckern und anderen optischen Elementen (außer den im folgenden noch zu beschreibenden optischen Isolatoren) für den transmittierten Strahl unabhängig von der Laufrichtung des Lichts. Die Dämpfung auf den faseroptischen Zuleitungen ist daher für den Nutzlichtstrom (Vorwärtsrichtung) dieselbe wie für den Referenzlichtstrom (Gegenrichtung), und der Refe­ renzlichtstrom kann unmittelbar als Maß für die zeitlich ver­ änderliche, unbekannte Streckendämpfung verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination der Drehzelle mit polarisierenden Strahlteilern, weil diese die Funktion des Strahlteilens bzw. -wiedervereinigens mit dem Erzeugen polari­ sierten Lichts verbinden. Fig. 6 zeigt daher eine Konfigura­ tion, die sich am ersten Ausführungsbeispiel von Variante 1 (Fig. 2) orientiert. Dabei ist wegen der im Interesse der Anschaulichkeit vorgenommenen Schematisierung auf maßstäb­ liche Darstellung verzichtet worden. Insbesondere ist die Aufweitung des Strahlengangs übertrieben gezeichnet.

Geht man davon aus, daß der polarisierende Strahlteiler 8.1) Licht mit Polarisation in der Zeichenebene passieren läßt und Licht mit der dazu senkrechten Polarisationsebene reflek­ tiert, so trifft der Referenzlichtstrom (12) unmittelbar auf die Drehzelle (20), die eine Drehung um + π/4 erzeugt. Daran anschließend passiert es ein Element, z.B. eine Schadt- Helfrich-Zelle mit Flüssigkristallen, die eine Rückdrehung um - π/4 bewirkt. Die Polarisationsrichtung stimmt daher wieder mit der Orientierung des polarisierenden Strahltei­ lers (8.2) überein, so daß dort eine Reflexion des Referenz­ lichtstroms auf die Linse (7.2) erfolgt.

Im Gegensatz dazu gelangt kein Licht von der Sende- und Empfangseinheit (14.1) über das Sensorelement (10) auf die Empfangseinheit (14.2) ("Nutzlichtstrom" , denn die Schadt- Helfrich-Zelle (23) ist im Gegensatz zu derjenigen Zelle (22) im Referenzlichtstrom so gestaltet, daß sie für diese Fort­ pflanzungsrichtung des Lichts eine weitere Drehung der Polari­ sationsebene um + π/4 bewirkt.

Diese addiert sich zu der Drehung in der Drehzelle (20) zu einer Gesamtdrehung von π/2.

Der Teil des Lichtes, der in der Zeichenebene polarisiert ist, passiert daher den Strahlteiler (8.1), wird am reflek­ tierenden Element (11.1) umgelenkt, im Sensorelement (10) moduliert, in der Drehzelle (20) und der Schadt-Helfrich- Zelle (23) um insgesamt π/2 in seiner Polarisationsebene gedreht und entweder im Element (11.2), falls dessen Umlenk­ spiegel polarisierend gestaltet ist, oder spätestens im polarisierenden Strahlteiler (8.2) absorbiert, weil die Polarisationsebene nicht mehr zur Orientierung dieser Ele­ mente "paßt".

Im folgenden wird die Lichtfortpflanzung für die Phase 2 untersucht, d.h. der Phase, in der Sender (1.2) und Empfänger (3.1) aktiv sind. Hierbei ist zu beach­ ten, daß die von der Schadt-Helfrich-Zelle bewirkte Drehung sich mit der Lichtrichtung umkehrt, während sie in der Dreh­ zelle (20) unverändert bleibt. Wie vorher ist der Referenz­ lichtstrom (12) nach Passieren des Strahlteilers (8.2) zu­ nächst senkrecht zur Zeichenebene polarisiert, erfährt jetzt aber eine Drehung der Polarisation von +π/4, die sich zu derjenigen der Drehzelle (20) zu insgesamt π/2 addiert und damit im Strahlteiler (8.1) absorbiert wird. Umgekehrt erzeugt die Schadt-Helfrich-Zelle jetzt eine Drehung der Polarisa­ tion von -π/2, die durch die nachfolgende Drehzelle (20) wieder rückgängig gemacht wird. Nach Modulation im Sensor­ element (10) kann daher das Licht, wie in Variante 1 beschrie­ ben, letztlich das Empfangselement (3.1) erreichen.

Während in der bisher beschriebenen Anordnung gemäß Fig. 6 die Drehzelle (20) in Verbindung mit den Schadt-Helfrich-Zellen als gegeneinander geschaltete Lichtventile (Isolatoren) wirk­ ten, vergleichbar einer elektronischen Gleichrichterschal­ tung, ergibt sich ein günstigerer Aufbau, wenn nur eine Drehzelle in dem gemeinsamen Strahlverlauf entweder zwischen (7.1) und (8.1) oder zwischen (7.2) und (8.2) angeordnet wird (Fig. 7).

Neben dieserDrehzelle (25), die wiederum eine Drehung der Polarisationsebene um +π/4 hervorrufen soll, ist noch ein Polarisator (24) notwendig, dessen Durchlaßrichtung um ± π/4 zur Orientierung der polarisierenden Strahlteiler (8.1) bzw. (8.2) geneigt ist. Das Vorzeichen der Neigung spielt keine Rolle. Sie wird im folgenden mit -π/4 angenommen.

In Phase 1 sind wieder Sender (1.1) und Empfänger (3.2) aktiv. Nach Passieren der Linse (7.1) fällt das Licht auf den Polarisator (24) und ist in der Ebene -π/4 polarisiert. Die nachfolgende Drehzelle (25) dreht die Polarisation senk­ recht zur Zeichenebene. Das Licht wird folglich in den Strahl­ teilern (8.1) und (8.2) vollständig reflektiert und gelangt auf den Empfänger (3.2). Wie vorher ist die Phase 1 mit dem Referenzlichtstrom (12) verknüpft, während in Phase 2 nur der Nutzlichtstrom (13) vom Sender (1.2) auf den Empfänger (3.1) gelangen kann.

Zwar gelangen zunächst beide Lichtströme ausgehend vom Sen­ der (1.2) auf den Strahlteiler (8.1) und werden dort ver­ einigt, aber der Nutzlichtstrom ist in der Zeichenebene polarisiert (±Π), während der Referenzlichtstrom senkrecht dazu polarisiert ist (0 π).

Die Drehzelle (25) sorgt wieder für eine Drehung von + π/4. Dies führt für den Nutzlichtstrom zu einer Polarisation im Winkel von - π/4, bzw. +3/4 π, so daß der nachfolgende Polari­ sator dieses Licht ungeändert passieren läßt.

Anders verhält es sich dagegen beim Referenzlichtstrom, der senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist. Hier bewirkt die Drehung in der Drehzelle (25) eine Winkeldifferenz von π2 zum Polarisator (24), was zur Auslöschung führt.

Da die optischen Verluste für beide Anordnungen von Variante 2 gleich sind, nämlich je 50% für den Nutz- und Referenzlicht­ strom, ist wegen des deutlich geringeren Bauaufwandes ("Hard­ ware") die zweite Anordnung besonders vorteilhaft. Der Polari­ sator (24) kann aus einer dünnen Kunststoffolie bestehen, wie sie in der Flüssigkristall-Displaytechnik verwendetwird. Die Drehzelle (25) kann gegebenenfalls in ihrem Querschnitt dem Lichtleiter (6.1) oder einer Gradientenindexlinse (7.1) ange­ paßt und mit einem niedrigbrechenden Material umhüllt sein, z.B. ähnlich einer PCS-Faser (Plastic-clad-silica) oder als Wel­ lenleiterineinemintegriert-optischen Aufbauausgebildetsein. Dem Mehraufwand für die optischen Weichen bzw. Ventile stehen daher eine einfachere Signalauswertung und der Wegfall von Maßnahmen zur Vermeidung parasitärer Reflexionen gegenüber.

Die gegenwärtig bekannten optischen Isolatoren arbeiten auf Basis des Faraday-Effekts, der eine Drehung der Polarisa­ tionsebene des Lichts bewirkt. Die Drehrichtung ist an die Orientierung des longitudinalen Magnetfelds, nicht aber an die Fortpflanzungsrichtung des Lichts gebunden. Schließt man das Volumen, das vom longitudinalen Magnetfeld durchsetzt ist, stirnseitig mit Linearpolarisatoren ab, wobei deren relative Orientierung sich nach dem durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Drehwinkel richtet, so kann das Licht diese Zelle in der einen Richtung ungehindert passieren, während es in umgekehrter Richtung mindestens zum Teil absorbiert wird, es sei denn, der Drehwinkel wäre exakt 90° oder π/2. Beträgt dagegen der Drehwinkel π/4, so wird der Lichtstrahl in Sperrichtung vollständig ausgelöscht. Geeignet ausgewähl­ te und behandelte Materialien wie z.B. Granate sind wegen ihrer hohen Verdetkonstante in der Lage, die Drehung des Polarisationswinkels so zu verstärken, daß die Länge der Drehzelle auf einige Millimeter beschränkt werden kann.

Eine weitere Verkleinerung der Baugröße im Vergleich zu den im Wirkprinzip gleichen optischen Isolatoren kann erreicht werden durch eine Lichtführung im Granat durch eine bereits angesprochene Beschichtung mit einem niedrigbrechenden, transparenten Material (ähnlich einer Stufenindexfaser) oder durch die Erzeugung eines nach außen hin abfallenden Brechzahlprofils (ähnlich einer Gradientenindexfaser). Dies kann durch Druckspannungen oder gezieltes Dotieren mit Fremd­ atomen geschehen. Die Querschnittsverringerung des licht­ führenden Materials bewirkt eine deutliche Verkleinerung der Permanentmagneten. Ferner ermöglicht die Lichtführung, die Permanentmagneten länger, dafür schmäler zu gestalten. Damit ist eine Optimierung des magnetischen Kreises möglich.

Fig. 9 zeigt beispielhaft eine Anordnung einer bekannten Drehzelle (gefertigt in den USA durch "Optics for Research").

Sende- und Empfangseinheiten (14.1, 14.2) haben als zen­ trales Teil die Strahlteiler (4.1 und 4.2) und können modifiziert sein. Ihre Aufgabe ist es, einerseits für die Einkopplung von Licht zu sorgen, das von den Sendern (1.1, 1.2) ausgeht, und andererseits das reflektierte und transmittierte Licht auf die Empfänger (3.1, 3.2) zu leiten.

Diese Strahlteiler sind üblicherweise mit einem Lichtver­ lust von jeweils 50% behaftet. Mit verschiedenen Techni­ ken kann dieser Verlust etwas reduziert werden, indem z.B. eine geringere Apertur oder ein höherer Polarisationsgrad des Lichtbündels ausgenutzt wird, das von den Lichtsendern ausgeht.

Statt der in den Fig. 1 bis 4 skizzierten Lichtsender (1.1, 1.2) in Gestalt von LED′s (Lichtemittierende Dioden) kön­ nen auch LD′s (Laserdioden) verwendet werden, deren Licht sehr eng gebündelt ist und daher die Strahlteiler (4.1, 4.2) nur im zentralen Teil durchsetzen würde. Es würde daher ge­ nügen, nur diesen zentralen Teil zu verspiegeln (Fig. 8), im Gegensatz zu konventionellen Strahlteilern aber mit einem Reflexionsgrad von nahezu 100%.

Dieses Prinzip ist bereits aus auf dem Markt befindlichen Kopplern bekannt.

Das Licht der Laserdioden (LD) ist außerdem mindestens teil­ weise polarisiert (wie allgemein Laserlicht). Es können da­ her polarisierende Strahlteiler verwendet werden, wie im Zusammenhang mit der Fig. 1 als Element (8.1, 8.2) gezeigt und im Text entsprechend erläutert ist, um so die Lichtver­ luste zu reduzieren.

Beide Verfahren sind zweckmäßigerweise kombinierbar.

Für die Anordnung (20), welche zwei Sender und zwei Empfän­ ger (mit Verstärkern) benutzt und die Lichtströme mitein­ ander vergleicht, die von den Sendern ausgehen, in den fa­ seroptischen Zuleitungen (6.1, 6.2) gedämpft, im Sensor (10) moduliert und wieder auf die Empfänger geleitet werden, ist ein Abgleich der Sender und Empfänger vorgesehen. Dies ist grundsätzlich mit externen Meßgeräten möglich. Aus der ge­ samten Sensoranordnung ergibt sich jedoch eine einfache Ab­ gleichvorschrift, die überdies zur Systemüberwachung genutzt werden kann.

Ist der Sender (1.1) aktiviert, steht am Empfänger (3.1) das Signal (S11) an und am Empfänger (3.2) das Signal (S12). Analog gilt bei Aktivierung des Senders (1.2): Signal (S21) ist dem Empfänger (3.1) und das Signal (S22) dem Empfänger (3.2) zuzuordnen.

Die Signale (S11 und S22) entsprechen dem in die jeweili­ ge faseroptische Zuleitung bzw. Sendefaser zurückreflek­ tierten Licht, während die Signale (S12 und S21) das je­ weils transmittierte Licht kennzeichnen. Nach dem Satz der linearen Optik von der Umkehrbarkeit der Lichtwege müssen S12 und S21 einander gleich sein, wenn das Produkt aus Sen­ derleistung und Empfängerempfindlichkeit gleich sind (Da in Variante 2 Drehzellen mit richtungsabhängiger Transmission verwendet werden, ist dort für das nachfolgend beschrie­ bene Verfahren die Sensorfaserstrecke durch ein einfaches Faserkabel zu ersetzen).

Mit den Zuordnungen:

J1=Sendeleistung von Sender (1.1)
J2=Sendeleistung von Sender (1.2)
E1=Empfängerempfindlichkeit von Empfänger (3.1)
E2=Empfängerempfindlichkeit vom Empfänger (3.2)

folgt aus: J1 · E2=J2 · E1, daß S21=S12.

Da nicht anzunehmen ist, daß sich die Empfängerempfindlich­ keit gleichzeitig umgekehrt proportional zur Sendeleistung ändert, kann durch Überwachung der Signalgleichheit von S21 und S12 eine abfallende Leistung oder Empfindlichkeit der entsprechenden Paarung gefunden werden.

Werden beide faseroptischen Zuleitungen (6.1, 6.2) bzw. Lichtleitfasern entfernt und durch eine Schutzkappe abge­ deckt, die den Einfall von Fremdlicht verhindert, so fällt auf den Empfänger (3.1) nur das Licht:

C11=J1 · U · E1  (Sender (1.1) aktiviert)

und auf den Empfänger (3.2):

C22=J2 · U · E2  (Sender (1.2) aktiviert)

Hier ist angenommen, daß der Übersprechanteil (U) für beide Strahlteiler (4.1, 4.2) gleich ist. Reale Strahltei­ ler zeigen immer einen Übersprechanteil, auch wenn dieser teilweise bis auf 0,01% gedrückt werden kann. Im vorlie­ genden Fall ist dies gar nicht erwünscht. Vielmehr wird das Übersprechen der beispielhaft gezeichneten Strahltei­ lerwürfel in Höhe von 1-2% als günstig angesehen.

Ergibt sich bei abgezogenen faseroptischen Zuleitungen und aufgesteckter Schutzkappe eine Abweichung in den Signa­ len (C11 und C22) voneinander:

C11+F=C22

F=Fehlersignal

während die Signale (S12 und S21) gleich sind, dann müssen paarweise die Senderleistung des Senders (1.1) und Empfind­ lichkeit des Empfängers (3.2) bzw. die Leistung des Sen­ ders (1.2) und die Empfindlichkeit des Empfängers (3.1) um den Faktor P korrigiert werden, daß gilt:

E1′=P · E1 und J2′=J2/P bzw.
E2′=P · E2 und J1′=J1/P

Das Produkt aus Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit bleibt jeweils ungeändert:

E1 · J2=E1′ · J2′ bzw. E2 · J1=E2′ · J1′

Der Korrekturfaktor P ist bestimmt durch die Formel:

P²=C22/C11

Es kann gezeigt werden, daß nach der Korrektur gelten muß:

J1=J2=J und E1=E2=E

Bei dem Signalauswerteverfahren wird daher von einer ein­ heitlichen Sendeleistung und Empfindlichkeit für beide Sende- und Empfangsteile (14.1, 14.2) ausgegangen.

Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeich­ nung dargestellten neuen Merkmale allein oder in sinnvoller Kombination sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Claims (9)

1. Verfahren zur Messung einer physikalischen Größe mit einem faseroptischen Sensor (10) unter Zuhilfenahme eines Nutzlichtstroms (13) und eines Referenzlicht­ stroms (12), wobei Licht in zwei faseroptischen Sen­ sorzuleitungen (6.1; 6.2) bidirektional geführt wird und vorgenannte Sensorzuleitungen als Sende- und Empfangsfaser betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrom je nach Ausbreitungsrichtung durch eine Lichtweiche im Sensorelement in unterschiedliche Wege geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtweiche aus zwei optischen Elementen be­ steht, durch die der Lichtfluß in einer Richtung er­ möglicht und in der anderen Richtung unterbrochen wird ("Lichtventile").

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtventile im Sensor- und Referenzzweig in gegenläufiger Orientierung angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtventile als optische Isolatoren nach dem Faraday-Effekt ausgeführt werden.

5. Verfahren zur Messung einer physikalischen Größe mit einem faseroptischen Sensor (10) unter Zuhilfenahme eines Nutzlichtstroms (13) und eines Referenzlicht­ stroms (12), wobei Licht in zwei faseroptischen Sen­ sorzuleitungen (6.1; 6.2) bidirektional geführt wird und vorgenannte Sensorzuleitungen als Sende- und Empfangsfaser betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lichtventil im gemeinsamen Strahl­ verlauf der Lichtstromführung angeordnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtventil das Licht in Vorwärtsrichtung aus der lichtzuführenden Faser nur in einem Zweig passie­ ren und das Licht in Gegenrichtung nur aus der ande­ ren Faser in die lichtrückführende Faser eintreten läßt (Lichtweiche).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtweiche als optischer Isolator mit einem Drehwinkel der Polarisationsebene von π/4±+ n× π/2 ausgeführt wird, wobei n = 0,1,2 ...

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen mit polarisierenden Strahltei­ lern getrennt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen durch Polarisationsprismen ge­ trennt werden.