DE4018998A1 - Faseroptischer drucksensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Drucksensor, mit
einem Druckmeßkopf, der ein Gehäuse aufweist, in dem eine als
Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine
Hubbewegung ausführende Membran aufgenommen ist, deren
Membraninnenseite mit einer hochreflektierenden Verspiegelung
versehen ist, und mit einem Lichtwellenleiter, dessen
Stirnfläche auf die hochreflektierende Verspiegelung der
Membraninnenseite ausgerichtet ist, und über den von einer
Lichtquelle emittiertes Licht in den Druckmeßkopf eingespeist
wird.
Ein derartiger faseroptischer Drucksensor ist bekannt. In dem
mit der Membran versehenen Gehäuse ist außer dem o. g., als
Eingangs-Lichtwellenleiter fungierende Lichtwellenleiter ein
weiterer, als Ausgangs-Lichtwellenleiter wirkender
Lichtwellenleiter angeordnet. Hierbei ist vorgesehen, daß die
optischen Achsen dieser beiden Lichtwellenleiter zu der
reflektierenden Membraninnenseite geneigt sind. Das aus der
Stirnfläche des Eingangs-Lichtwellenleiters austretende Licht
wird an der Innenseite der Membran reflektiert und
anschließend vom Ausgangs-Lichtwellenleiter aufgenommen und zu
einem Detektor geleitet. Bei einer Druckbeaufschlagung der
Membran wölbt sich diese nach innen, wodurch der
Einfallswinkel der aus dem Eingangs-Lichtwellenleiter
austretenden Lichtstrahlen auf der Membran verändert wird.
Diese Änderung des Einfallswinkels bewirkt eine Änderung des
Reflektionswinkels und somit eine Verringerung der den
Ausgangs-Lichtwellenleiter erreichenden Lichtmenge. Das
ratiometrische Verhältnis der in dem
Eingangs-Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtintensität und
der vom Ausgangs-Lichtwellenleiter aufgenommenen Lichtmenge
stellt ein Maß für den auf die Membran einwirkenden Druck dar.
Dieser bekannte faseroptische Drucksensor besitzt den
Nachteil, daß die Intensität des reflektierenden Lichts sich
bei einer kleinen Hubbewegung der Membran nur unwesentlich
ändert, so daß nur große Druckänderungen einigermaßen genau
erfaßbar sind. Außerdem gelangen nicht nur direkt an der
Membran reflektierte Lichtstrahlen in den
Ausgangs-Lichtwellenleiter: Die durch diffuse Reflexion in den
Ausgangs-Lichtwellenleiter gelangenden Lichtstrahlen
verfälschen das Meßergebnis. Desweiteren wird die
Meßgenauigkeit dieses faseroptischen Drucksensors durch die
fehlende Streckenneutralität des konstruktiven Aufbaus
verschlechtert: Die Intensität des Lichts ist in nachteiliger
Art und Weise auf seiner optischen Übertragungsstrecke von der
Lichtquelle zum optoelektronischen Detektor Schwankungen
unterworfen, die einerseits durch ein Verbiegen des
Lichtwellenleiters, andererseits durch mangelhafte
Verbindungen der Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle bzw.
mit dem optoelektronischen Detektor zustande kommen. Diese
konstruktions- und systembedingten Fluktuationen der
Lichtintensität verringern die Zuverlässigkeit und die
Meßgenauigkeit dieses bekannten intensitätsmodulierten
faseroptischen Drucksensors beträchtlich.
Bei einem anderen bekannten faseroptischen Drucksensor sind in
einem Gehäuse ein Eingangs- und ein
Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter fluchtend angeordnet.
Zwischen den einander zugewandten Stirnflächen dieser
Multimode-Lichtwellenleiter sind orthogonal zu deren
gemeinsamen optischen Achse zwei Strichgitter gegeneinander
verschiebbar angeordnet. Die Überkopplung des Lichts zwischen
dem Eingangs-Multimode-Lichtwellenleiter und dem
Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter erfolgt dabei über eine
SELFOC-Gradientenlinse, derart, daß das Licht im Bereich der
beiden Strichgitter parallel zur optischen Achse verläuft.
Eines der beiden Strichgitter ist fest mit einer parallel zur
optischen Achse verlaufenden, als Druckaufnehmer fungierenden
Membran verbunden, deren durch eine Druckbeaufschlagung
hervorgerufene Hubbewegung orthogonal zu dieser optischen
Achse erfolgt. Das fest mit der Membran verbundene
Strichgitter wird dadurch gegenüber dem fest im Gehäuse
angeordneten zweiten Strichgitter verschoben. Dies bewirkt,
daß die Lichttransmission durch die beiden Strichgitter
verkleinert wird, wodurch sich die Intensität des vom
Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiters aufgenommenen Lichtes
verringert. In einer dem Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter
nachgeschalteten Detektorelektronik wird die Intensität des
vom Eingangs-Multimode-Lichtwellenleiter auf den
Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter übergekoppelten Lichts
gemessen. Das ratiometrische Verhältnis von eingekoppelter und
überkoppelter Intensität stellt dann ein Maß für den zu
messenden Druck dar. Der mit diesem Drucksensor meßbare Druck
beträgt maximal 7,5 kPa.
Ein weiterer bekannter faseroptische Drucksensor ist unter dem
Begriff Faser-Fabry-Perot-Druckmeßsensor bekannt. Er besteht
aus einem Stück Lichtwellenleiter, dessen Stirnfläche
senkrecht zur optischen Achse des Lichtwellenleiters
abgeschnitten sind. Eine Stirnfläche des Lichtwellenleiters
ist poliert und teildurchlässig verspiegelt. Die andere
Stirnfläche ist hochreflektierend ausgeführt. Das in den
Faser-Fabry-Perot-Druckmeßsensor eingekoppelte Licht wird
zwischen den als Spiegel wirkenden Stirnflächen des
Lichtwellenleiters mehrfach reflektiert. Der Lichtwellenleiter
stellt also einen optischen Resonator eines
Vielstrahlinterferometers dar, in dem sich die vielfach
reflektierten Teilwellen immer dann konstruktiv überlagern,
wenn die optische Länge des Lichtwellenleiters ein
ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlängen des
eingekoppelten Lichts beträgt. Hingegen tritt destruktive
Interferenz auf, wenn der Gangunterschied der Teilwellen ein
ungeradzahliges Vielfaches der viertel Wellenlänge beträgt.
Das dadurch entstehende Interferenzmuster wird von einem
Detektor erfaßt. Eine Dehnung oder eine Stauchung des
Lichtwellenleiters verändert die optische Länge desselben,
wodurch simultan das Interferenzmuster verändert wird. Aus
dieser Änderung des Interferenzmusters ist dann mittelbar über
die Längenänderung des Lichtwellenleiters der zu messende
Druck oder Zug ermittelbar. Ein Nachteil dieses bekannten
Drucksensors besteht darin, daß sich die optische Länge der
Faser sehr stark mit der Temperatur ändert. Die durch den
Temperatureinfluß bewirkte Veränderung der optischen Länge des
Faser-Fabry-Perot-Drucksensors übersteigt die durch Druck/Zug
verursachte Längenänderung um ca. den Faktor 10, so daß bei
diesem Druckmeßsensor erhebliche Temperaturkompersationen der
Druckmeßergebnisse erforderlich sind.
Die beschriebenen faseroptischen Drucksensoren besitzen den
Nachteil, daß sie nur in einem bestimmten Druckbereich
einsetzbar sind, dessen obere Grenze typischerweise den
kPa-Bereich nicht überschreitet. Es ist deshalb nicht möglich,
derartige faseroptische Drucksensoren bei der
Kunststoffverarbeitung zur druckabhängigen Überwachung,
Steuerung und Regelung von Kunststoffverarbeitungsmaschinen
einzusetzen, bei denen dieser Parameter von äußester
Wichtigkeit für die Produktion qualitätsgerechter
Kunststoffteile ist. Bei diesen
Kunststoffverarbeitungsmaschinen treten äußerst hohe
Druckbelastungen auf, die zum Teil größer als 2000 bar (200 MPa)
sind. Die Druckmessung bei derartigen Maschinen wird
außerdem noch dadurch erschwert, daß der Drucksensor einer
hohen Temperaturbelastung (z. T. größer als 400°C) ausgesetzt
ist, für welche die bekannten faseroptischen Drucksensoren
nicht ausgelegt sind.
Zur Vermeidung dieser Nachteile stellt sich die Erfindung die
Aufgabe, einen faseroptischen Drucksensor zu entwickeln,
welcher eine einfache, aber dennoch exakte und zuverlässige
Messung auch von hohen Drücken erlaubt. Außerdem soll
gewährleistet sein, daß der erfindungsgemäße Drucksensor bei
hohen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius
einsetzbar ist. Eine weitere Anforderung an den
erfindungsgemäßen Drucksensor besteht darin, daß er
streckenneutral arbeiten soll.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Verspiegelung der
Membraninnenseite und die Stirnfläche des Lichtwellenleiters
orthogonal zu einer optischen Achse des Lichtwellenleiters
verlaufen, und daß die Stirnfläche des Lichtwellenleiter
teilreflektierend ausgeführt ist, so daß durch die
hochreflektierende Verspiegelung der Membraninnenseite und
durch die teilreflektierende Stirnfläche des
Lichtwellenleiters ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird,
in dem das vom Lichtwellenleiter in den Fabry-Perot-Resonator
eingekoppelte Licht an der hochreflektierenden Verspiegelung
der Membraninnenseite zur teilreflektierenden Stirnfläche des
Lichtwellenleiters reflektiert wird, und in dem dieses
reflektierte Licht zu einem dem Reflektionskoeffizienten R der
teilreflektierenden Stirnfläche des Lichtwellenleiters
entsprechenden Anteil zur hochreflektierenden Verspiegelung
der Membraninnenseite zurückgespiegelt wird, und in dem der
verbleibende Anteil des von der hochreflektierenden
Verspiegelung reflektierten Lichts durch die
teilreflektierende Stirnfläche des Lichtwellenleiters
transmittiert wird, und daß das aus dem Fabry-Perot-Resonator
ausgekoppelte und in den Lichtwellenleiter transmittierte
Licht aufgrund der im Fabry-Perot-Resonator stattfindenden
Vielstrahlinterferenz des eingekoppelten Lichts eine zeitliche
Intensitätsverteilung aufweist, welche durch den zeitlichen
Verlauf der Hubbewegung der Membran bestimmt wird, und daß die
Intensitätsverteilung des transmittierten Lichts in einer
optoelektronischen Detektoreinrichtung registriert und in
einer Ansteuer- und Auswerteinrichtung ausgewertet wird.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in besonders
einfacher Art und Weise ein faseroptischer Drucksensor
geschaffen, der universell über einen weiten Druckbereich
hinweg einsetzbar ist. Die Verwendung eines handelsüblichen
Gehäuses und einer konventionellen Membran als Druckaufnehmer
des erfindungsgemäßen Druckmeßkopfes des faseroptischen
Drucksensors besitzt nicht nur den Vorteil einer
kostengünstigen Herstellungsweise. Vielmehr erlaubt es der
Einsatz dieser konventionellen Bauteile, deren für die
Druckmessung wesentlichen Eigenschaften - z. B. die
Abhängigkeit des Membranhubes von der Druckbeaufschlagung und
die Temperaturabhängigkeit des E-Moduls der Membran - bekannt
sind, die für den in Betracht gezogenen Druck- und/oder
Temperaturbereich am besten geeignete Membran einzusetzen,
ohne daß umfangreiche Eich- und Kalibrationsmessungen
notwendig sind. Diese Rückgriffsmöglichkeit auf bekannte
Membrane und bekannte Gehäuse stellt eine wesentliche
Grundlage für den weiten, mit dem erfindungsgemäßen
faseroptischen Drucksensor meßbaren Druckbereich dar, da fast
alle, von den seither gebräuchlichen, nicht notwendigerweise
faseroptischen Drucksensoren her bekannte Membrane einsetzbar
sind, wodurch ein weiter Druckmeßbereich abgedeckt wird. Die
durch die Druckbeaufschlagung hervorgerufene Hubbewegung der
Membran kann in besonders vorteilhafter Art und Weise mit dem
durch die hochreflektierende Verspiegelung der
Membraninnenseite und die teilreflektierende Stirnfläche des
Lichtwellenleiters gebildeten Fabry-Perot-Resonator
hochauflösend erfaßt werden, wodurch eine hohe Präzision der
Druckmessung erreicht wird. Die Auswertung des durch die
Vielstrahlinterferenz der im Fabry-Perot-Resonator des
erfindungsgemäßen Druckmeßkopfes hin- und herreflektierten
Lichtstrahlen bewirkte Interferenzmuster erlaubt eine äußerste
präzise Erfassung der durch die Druckbeaufschlagung der
Membran hervorgerufenen Hubbewegung. Aufgrund der bekannten
Beziehung zwischen dem Membranhub und den auf die Membran
einwirkenden Druck wird durch diese interferometrische
Längenmessung eine äußerst genaue Druckmessung erreicht, die
in besonders vorteilhafter Art und Weise eine exakte
druckabhängige Überwachung, Steuerung und Regelung von
Kunststoffverarbeitungsmaschinen erlaubt. Die mit dem
erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensor erzielbare
Druckauflösung ist leicht dem gewünschten Einsatzzweck
anpaßbar, das diese - von den Eigenschaften der als
Druckaufnehmer verwendeten Membran abgesehen - im wesentlichen
von der Wellenlänge des von der Lichtwelle emittierten
kohärenten und monochromen Lichts bestimmt wird. Die rein
digitale Erfassung der Intensitätsmaxima und Intensitätsminima
des aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten und über den
Lichtwellenleiter zur optoelektronischen Detektoreinrichtung
geleiteten transmittierten Lichtintensität bewirkt in
besonders vorteilhafter Art und Weise eine Streckenneutralität
des faseroptischen Drucksensors, da die Meßergebnisse nicht
durch Fluktuationen der Lichtintensität sowie durch die
Signalform der transmittierten Lichtintensität negativ
beeinflußt werden.
Der erfindungsgemäße faseroptische Drucksensor zeichnet sich
nicht nur durch seinen universellen, besonders einfach auf
verschiedenste Druckbereiche zu adaptierenden Aufbau aus. Zu
dieser Universalität des Druckmeßbereiches tritt in besonders
vorteilhafter Art und Weise noch ein besonders weiter
Anwendungsbereich hinzu: So ist es z. B. möglich, den
erfindungsgemäßen Drucksensor in elektrisch gestörten Systemen
einzusetzen, da die hier verwendete nicht-metallische
Faser-Übertragung der Meßergebnisse völlig immun gegen
elektromagnetische Einstreuungen aller Art ist. Ein weiterer
Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Drucksensors ist bei
explosionsgefährdeten Anlagen, da die äußerst kleinen
Leistungen, die zur Versorgung des Fabry-Perot-Resonators des
Druckmeßkopfes ausreichen, eine gefahrlose Druckmessung direkt
in hochexplosiver Atmosphäre erlauben. Allgemein ist
festzustellen, daß sich der erfindungsgemäße faseroptische
Drucksensor in "schwierigen" Umgebungen aller Art, wie sie
z. B. durch chemisch agressive Stoffe, extreme Temperaturen,
äußerst hoher Druck oder ionisierende Strahlungen bewirkt
werden, universell einsetzbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
zwischen der hochreflektierenden Verspiegelung auf der
Membraninnenseite und der teilreflektierenden Stirnfläche des
Lichtwellenleiters im Fabry-Perot-Resonator ein optisches
System zur Fokussierung und/oder Faltung der im
Fabry-Perot-Resonator hin- und hergespiegelten Lichtstrahlen
angeordnet ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß der von den
Lichtstrahlen zurückgelegte optische Weg verdoppelt oder
vervielfacht wird, bevor das von der hochreflektierenden
Verspiegelung der Membraninnenseite reflektierte Licht wieder
in den Lichtwellenleiter eintritt. Diese vorteilhafte
Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dann durch ein
erhöhtes Auflösevermögen der interferometrischen Längenmessung
aus, woraus eine vergrößerte Druckauflösung des
erfindungsgemäßen Drucksensors resultiert.
Eine weiter vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht
vor, daß die an der Membraninnenseite der Membran angebrachte
hochreflektierende Verspiegelung und/oder die
teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche des
Lichtwellenleiters durch ein Aufdampfen und/oder Polieren
eines vorzugsweise metallischen Substrats erzeugt wird.
Zusätzlich kann noch vorgesehen sein, daß die Membran in ihrem
der Stirnfläche des Lichtwellenleiters gegenüberliegendem Teil
verstärkt ausgebildet ist, so daß die Verspiegelung der
Membraninnenseite auch bei einem großen Membranhub stets
planparallel zur teilreflektierenden Stirnfläche des
Lichtwellenleiters verläuft. Die beschriebene Verspiegelung
der Membraninnenseite und der Stirnfläche des
Lichtwellenleiters bewirken in Verbindung mit der - ggf.
erforderlichen - Verstärkung der Membran einen
Fabry-Perot-Resonator aus, welcher sich durch seine hohe
Resonatorgüte auszeichnet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht
vor, daß die zur Einspeisung des von der Laser-Sendediode
emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts in den
Fabry-Perot-Resonator des Druckmeßkopfs verwendeten
Lichtwellenleiter als Monomode-Lichtwellenleitern ausgebildet
sind. Diese erfindungsgemäße Maßnahme besitzt den Vorteil, daß
der Fabry-Perot-Resonator aufgrund der genau festgelegten
Modenstruktur des eingekoppelten Lichts eine höhere
Phasensensitivität aufweist, als dies bei der Verwendung von
einfacheren Multimode-Lichtwellenleiter der Fall sein würde.
Diese erhöhte Phasensensitivität der im Fabry-Perot-Resonator
stattfindenden Vielstrahlinterferenz erhöht ihrerseits
wiederum in besonders vorteilhafter Art und Weise die
Druckauflösung des erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors.
Der aus der monochromes und kohärentes Laserlicht
emittierenden Lichtquelle und den über den
Monomode-Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle verbundenen
Druckmeßkopf bestehende faseroptische Drucksensor erlaubt eine
zuverlässige und präzise Druckmessung, wenn der zeitliche
Verlauf der Druckbeaufschlagung der Membran bekannt ist. Um in
besonders vorteilhafter Art und Weise den zeitlichen Verlauf
dieser Druckbeaufschlagung mit dem erfindungsgemäßen
faseroptischen Drucksensor selbst erfassen zu können, ist
gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, daß zwischen die Lichtquelle und den Druckmeßkopf
eine Codiereinrichtung geschaltet ist, welche das von der
Lichtquelle emittierte monochrome und kohärente Laserlicht in
zwei gegeneinander phasenverschobene und durch ihre Codierung
diskriminierbare Teilstrahlen aufspaltet, welche über einen
polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter dem
Druckmeßkopf zugeführt werden. Die beiden codierten
Teilstrahlen des Laserlichts werden anschließend in zwei
getrennten Detektordioden der Detektoreinrichtung separat
ausgewertet. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es
besonders einfach möglich, zeitliche Fluktuationen der
Druckbeaufschlagung der Membran präzise und zuverlässig zu
erfassen. Hierbei ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die
Codiereinrichtung entweder durch eine integriert optischen
Chip oder durch die dem integriert optischen Chip
entsprechenden diskreten Bauelemente ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht
vor, daß die Codiereinrichtung einen Polarisationssteller und
einen Phasenschieber aufweist, welcher sehr schnell
modulierbar sind, so daß das in die Codiereinrichtung
eingespeiste Laserlicht in einer vorgegebenen zeitlichen
Sequenz nacheinander zwei verschiedene
Polerisationshauptrichtungen einnimmt. Eine derart aufgebaute
Codiereinrichtung zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau
aus, da die bei der oben beschriebenen Codiereinrichtung
benötigten Richtkoppler und einer der beiden
Polerisationssteller ersatzlos entfallen können.
Vorteilhafterweise ist ferner vorgesehen, daß zum detektieren
der transmittierten Intensität nur eine einzige
optoelektronische Detektordiode nötig ist, welche entsprechend
zeitlich koordiniert wird. Die optischen Signale der beiden
Detektorzweige können somit in einer einzigen Detektordiode
registriert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht
vor, daß das von der Lichtquelle emittierte monochrome und
kohärente Laserlicht einer Einseitenbandmodulation unterzogen
wird und über Multimode-Lichtwellenleiter zum Druckmeßkopf
geleitet wird. Diese Maßnahme erhöht die Auflösung der
interferometrischen Längenmessung, so daß auch bei einer
digitalen Erfassung und Auswertung der transmittierten
Intensität eine Längen/Druckauflösung erreichbar ist, welche
weitgehend mit einer alle Zwischenwerte der transmittierten
Intensitätsverteilung erfassenden analogen Auswertemethode
gleichwertig ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
ist vorgesehen, daß ein Infrarot-Temperaturmeßfühler im
Druckmeßkopf integriert ist. Die zur Versorgung des
Infrarot-Meßfühlers erforderliche Einspeisung von
Infrarot-Lichtstrahlung wird über einen separaten oder über
den zur Einspeisung des Laserlichts in den
Fabry-Perot-Resonator dienenden Lichtwellenleiter
durchgeführt. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die zur
exakten Erfassung der Druckbeaufschlagung der Membran
erforderliche Temperaturkompensation der Druck-Meßergebnisse
sehr präzise und sehr schnell durchgeführt werden kann. Ein
weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß beim
Einsatz des erfindungsgemäßen Drucksensors mit integrierten
Temperaturmeßfühler bei Spritzguß-Extrusionsmaschinen die
Temperatur der mit der Membran in Berührung stehenden
Kunststoffmasse leicht gemessen werden kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Systemkomponenten des Drucksensors,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Druckmeßkopfs des Drucksensors,
Fig. 3 die Verteilung der transmittierten
Lichtintensität,
Fig. 4 einen integriert optischen Chip des
Druckmeßsensors,
Fig. 5 die Verteilung der transmittierten
Lichtintensität bei der Verwendung von zwei
phasenverschobenen und codierten Teilwellen,
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des
Druckmeßkopfs des Drucksensors.
Der in Fig. 1 dargestellte faseroptische Drucksensor weist
einen Druckmeßkopf 10 auf, welcher über einen
Monomode-Lichtwellenleiter 11 mit einem integriert optischen
Chip 20 verbunden ist. Dieser steht über einen weiteren
Monomode-Lichtwellenleiter 31 mit einer
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 in Verbindung. Das von einer
Laser-Sendediode 32 der Licht-Sender/Empfängereinheit 30
abgegebene monochrome und kohärente Licht wird über den
weiteren Monomode-Lichtwellenleiter 31 in den integriert
optischen Chip 20 eingespeist. Die optoelektronischen
Detektordioden 33a und 33b der Licht-Sender/Empfängereinheit
30 sind über je einen Multimode-Lichtwellenleiter 34a und 34b
mit Ausgängen 20a und 20b des integriert optischen Chips 20
verbunden. Die Licht-Sender/Empfängereinheit 30 ist über
Signalleitungen 41a-41c mit einer Ansteuer- und
Auswerteelektronik 40 verbunden. Desweiteren weist der
faseroptische Drucksensor einen Temperaturfühler 50 auf,
welcher über eine weitere Signalleitung 51 mit der Ansteuer
und Auswerteelektronik 40 verbunden ist.
Der faseroptische Druckmeßkopf 10 ist in Fig. 2 näher
dargestellt. An der Stirnseite eines Gehäuses 12 des
faseroptischen Druckmeßkopfs 10 ist eine Membran 13
angebracht, welche als Druckaufnehmer fungiert. Bei einer
Belastung der Membran 13 mit einem gewissen Druck p wölbt sich
die Membran 13 unter dieser Druckbeaufschlagung in den
Innenraum 12′ des Gehäuses 12. Das Gehäuse 12 und die Membran
13 des faseroptischen Drucksensors 10 sind handelsübliche
Bauteile, wie sie in bekannten, nicht notwendigerweise
faseroptischen Drucksensoren zur Druckmessung Verwendung
finden. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, bei der
Realisierung des beschriebenen Druckmeßkopfes 10 auf bekannte
und bewährte Druckmeß-Membrane zurückzugreifen, deren
mechanische Eigenschaften (thermische Ausdehnung, E-Modul des
Membranmaterials, Zusammenhang zwischen Druckbeaufschlagung
und Hub) für den interessierenden Druck- und/oder
Temperaturbereich gut bekannt sind. Außerdem verbilligt die
Verwendung bekannter Gehäuse und Membrane den Aufbau des
beschriebenen Druckmeßkopfes 10 beträchtlich, da keine
aufwendige Neuentwicklung der Membran 13 und des Gehäuses 12
notwendig ist.
Wesentlich ist nun die Ausgestaltung der im Innenraum 12′ des
Gehäuses 12 befindlichen Membraninnenseite 13′ der Membran 13.
Diese ist - zumindest in ihrem einer Stirnfläche 11′ des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 (s. u.) gegenüberliegenden Teil
- mit einer hochreflektierenden Verspiegelung 14 versehen,
welche bspw. durch Aufdampfen und/oder Polieren einer Gold
oder Silberschicht erreicht wird. Außerdem ist es möglich, bei
einem geeignet gewählten Membran der Membraninnenseite 13′ auf
das Aufdampfen und/oder Polieren der Gold- oder Silberschicht
zu verzichten, wenn der Reflexionskoeffizient R dieses
Membranmaterial zur Erzielung der entsprechenden Resonatorgüte
ausreicht. Außerdem ist wichtig, daß sich der verspiegelte
Teil der Membran 13 bei einer Druckbeaufschlagung linear nach
innen bewegt, d. h. daß die Verspiegelung 14 auf der
Membraninnenseite 13′ bei der durch die Druckbeaufschlagung
ausgelösten Hubbewegung der Membran 13 orthogonal zur
optischen Achse 15 des Monomode-Lichtwellenleiters 11 bleibt.
Diese Forderung ist bei den bekannten zur Druckmessung
verwendeten Membrane hinreichend erfüllt. Bei speziellen
Anwendungszwecken, welche z. B. den Einsatz einer Flachmembran
mit kleinem Innendurchmesser und großem Hub im Zentrum der
Membran erfordern, kann vorgesehen sein, daß - um die
Orthogonalität der Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13′
zur optischen Achse 15 zu gewährleisten - der entsprechende
Teil der Membran 13 verstärkt wird, so daß auch bei diesen
Bedingungen die Verspiegelung 14 währen der Hubbewegung der
Membran 13 orthogonal zur optischen Achse 15 des
Lichtwellenleiters 11 verläuft.
Dem Fachmann ist bekannt, daß der Ausdruck "hochreflektierend"
bei der Bezeichnung der Reflexionseigenschaften der
Verspiegelung 14 nicht dahingehend zu verstehen ist, daß damit
ein Reflexionskoeffizient der Verspiegelung 14 gemeint ist, der
in der Größenordnung von eins liegt. Vielmehr ist es dem
Fachmann bekannt, daß wie er den Reflexionskoeffizienten der
Verspiegelung 14 zu wählen hat, damit eine dem gewünschten
Einsatzzweck entsprechende Resonatorgüte des
Fabry-Perot-Resonators erreicht wird.
Der Monomode-Lichtwellenleiter 11 ist im der Membran 13
gegenüberliegenden Teil des Gehäuses 12 angeordnet. Hierbei
ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Ummantelung 11a des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 durch eine gegen hohe
Temperaturen widerstandsfähige Verklebung 16 im Gehäuse 12
befestigt ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß der beschriebene
Drucksensor auch bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, da der
Monomode-Lichtwellenleiter 11 auch bei derartigen Temperaturen
sicher im Gehäuse 12 des faseroptischen Druckmeßkopfs 10
gehalten wird.
Wesentlich an der Anordnung des polarisationserhaltenden
Monomode-Lichtwellenleiters 11 im Gehäuse 12 des
faseroptischen Drucks 10 ist, daß seine Stirnfläche 11′
orthogonal zur optischen Achse 15 des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 steht und somit parallel zur
Verspiegelung an der Membraninnenseite 13′ der Membran 13
verläuft. Die in einem Abstand von - vorzugsweise - ca. 1/100
bis 10 mm von der Membraninnenseite 13′ entfernte Stirnfläche
11′ des Monomode-Lichtwellenleiters 11 ist teilreflektierend
verspiegelt ausgeführt, wobei diese teilreflektierende
Verspiegelung in an sich bekannter Weise durch ein Aufdampfen
und Polieren eines geeigneten - vorzugsweise metallischen -
Substrats erreicht wird. Durch diese Verspiegelung der
Stirnfläche 11′ des Monomode-Lichtwellenleiters 11 wird
erreicht, daß die vom Monomode-Lichtwellenleiter 11 her auf
die Stirnfläche 11′ auftreffenden Lichtstrahlen des von der
Lichtquelle (Laser-Senderdiode 32) der
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 emittierten kohärenten und
monochromen Laserlichts im wesentlichen ungedämpft durch diese
teilreflektierende Stirnfläche 11′ hindurchtreten und
anschließend zur hochreflektierenden Verspiegelung 14
gelangen. Im Gegensatz dazu steht das optische Verhalten der
Stirnfläche 11′ für Lichtwellen, die von der Verspiegelung 14
der Membraninnenseite 13′ reflektiert wurden und aus dieser
Richtung auf die Stirnfläche 11′ des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 auftreffen: Die
teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche 11′ des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 bewirkt, daß nur ein gewisser
Anteil des auf die Stirnfläche 11′ einfallenden Lichtes wieder
in Richtung der Membran 13 reflektiert wird. Diese vom
Reflexionskoeffizienten R abhängige Licht-Anteil läuft zur
Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13′ zurück und gelangt
nach einer erneuten Reflexion zur Stirnfläche 11′, etc. Der
nicht reflektierte Anteil 1-R des auf die Stirnfläche 11′
auftreffenden Lichtes wird durch diese transmittiert und
anschließend vom Monomode-Lichtwellenleiter 11 zum integriert
optischen Chip 20 geleitet.
Durch die hochreflektierende Verspiegelung 14 des der
Stirnfläche 11′ des polarisationserhaltenden
Monomode-Lichtwellenleiters 11′ gegenüberliegenden Teils der
Membraninnenseite 13′ der Membran 13 und durch die
teildurchlässige, teilreflektierende Verspiegelung der
Stirnfläche 11′ wird in besonders einfacher Art und Weise ein
Resonator eines Fabry-Perot-Interferometers geschaffen,
welcher eine hochauflösende Erfassung des durch die
Druckbeaufschlagung bewirkten Hubes der Membran 13 und somit
eine äußerst präzise Messung des auf die Membran 13
einwirkenden Druckes p ermöglicht: Durch die vorher
beschriebenen Vielfachreflexionen der in dem durch die
teilreflektierenden Stirnfläche 11′ und die hochreflektierende
Verspiegelung 14 gebildeten Fabry-Perot-Resonator hin- und
herlaufenden monochromen und kohärenten Lichtstrahlen tritt
eine Vielstrahlinterferenz auf, welche das bekannte, eingangs
bereits beschriebene Interferenzmuster ausbildet.
Die aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte und in den
polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 11
transmittierte Lichtwelle weist eine Intensitätsverteilung auf
It, deren Gesetzmäßigkeit durch die bekannte Formel von
G.B.Airy festgelegt wird:
It = I₀/(1 + 4 R(sin(2 π · L₀/1)/(1 - R))²).
In dieser Gleichung wird die über den
Monomode-Lichtwellenleiter 11 in den Fabry-Perot-Resonator
eingekoppelte Lichtintensität mit I0 bezeichnet, und die
Variable R steht für den Reflexionskoeffizienten der
teilreflektierenden Stirnfläche 11′. Wie es sich aus dieser
Gleichung ergibt, wird die Intensität des transmittierten
Lichts It im wesentlichen durch den Quotienten aus der
optischen Weglänge L0 (optische Weglänge L0 = geometrischer
Abstand L zwischen der Verspiegelung 14 und der Stirnfläche
11′ multipliziert mit dem Brechungsindex n des zwischen diesen
beiden Endspiegeln des Fabry-Perot-Resonators befindlichen
Mediums) und der Wellenlänge 1 des von der Laser-Sendediode 32
emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts bestimmt.
Man erkennt, daß die Intensität It des aus dem
Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten und in den
Monomode-Lichtwellenleiter 11 transmittierten Laserlichts
minimal ist, wenn die optische Länge L0 dieses Resonators ein
ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge 1 des
kohärenten, monochromen Laserlichts ist. Im Gegensatz dazu ist
die Intensität des transmittierten Lichts maximal, wenn die
optische Länge des Fabry-Perot-Resonators ein ungeradzahliges
Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge 1 des verwendeten
Laserlichts beträgt. Wesentlich für das Verständnis des
nachfolgend beschriebenen Meßprinzips des faseroptischen
Drucksensors ist die aus der oben beschriebenen Verteilung der
Maxima und Minima der transmittierten Lichtintensität folgende
Eigenschaft, daß sich bei einer Verringerung (Vergrößerung)
der optischen Länge L0 des Fabry-Perot-Resonators um eine
viertel Wellenlänge 1 des verwendeten monochromen und
kohärenten Laserlichts ein Minimum (Maximum) der aus dem
Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten und in den
Lichtwellenleiter transmittierten Lichtwelle in ein Maximum
(Minimum) übergeführt wird.
Das Meßprinzip des faseroptischen Drucksensor ist nun wie
folgt: Wird auf der Membran 13 der Druck p beaufschlagt so
verschiebt sich diese samt der auf der Membraninnenseite 13′
aufgebrachten hochreflektierenden Verspiegelung 14 in Richtung
der Stirnfläche 11′ des Monomode-Lichtwellenleiters 11. Dies
bedeutet aber, daß die optische Länge L0 des
Fabry-Perot-Resonators verringert wird, wodurch sich eine
Änderung in der Intensitätsverteilung It der in den
Monomode-Lichtwellenleiter 11 transmittierten Lichtmenge
ergibt. Eine typische Intensitätsverteilung It des
transmittierten Lichts ist in Fig. 3 dargestellt. Auf der
Abszisse des in dieser Figur enthaltenen Diagramms ist in
willkürlichen Einheiten der zeitliche Verlauf der Hubbewegung
der Membran 13 aufgetragen. Auf der Ordinate des Diagramms ist
die auf die in den Fabry-Perot-Resonator eingespeiste
Lichtintensität I0 normierte Verteilung der transmittierten
Lichtintensität It aufgetragen. Die in Fig. 3 gezeigte Kurve 1
stellt dann die von einer Detektordiode 33a der
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 registierte Lichtmenge dar.
Da es die aus dem Prinzip der interferometrischen
Längenmessung basierende Druckmessung nur erlaubt, eine
Relativmessung des die Membran 13 beaufschlagenden Druckes p
zu erfassen, wird angenommen, daß der faseroptische
Drucksensor zuvor derart geeicht wurde, daß der Ruhestellung
der Membran 13 (Nullpunkt des Diagramms der Fig. 3) ein
gewisser, genau definierter Referenzdruck zugeordnet wird. Bei
der Erläuterung des Meßprinzips wird an dieser Stelle - ohne
die Allgemeinheit der folgenden Überlegungen zu beschränken -
angenommen, daß bei einer Druckbeaufschlagung der Membran 13
mit dem der Eichung des faseroptischen Drucksensors 10
zugrundeliegenden Referenzdruckes die transmittierte
Intensität ein Minimum MIO aufweist. Dem Fachmann wird aus den
nachfolgenden Überlegungen klar ersichtlich, wie er zu
verfahren hat, wenn diese Voraussetzung nicht erfüllt ist,
d. h. wenn beim Referenzdruck die transmittierte Intensität
kein Minimum aufweist:
Wird die Membran 13 nun mit dem Druck p beaufschlagt, so wird
eine Hubbewegung der Membran 13 ausgelöst. Die optische Länge
L0 des Fabry-Perot-Resonators verringert sich dementsprechend
kontinuierlich. Die Hubbewegung der Membran 13 endet, wenn
sich die durch die Druckbeaufschlagung hervorgerufenen, auf
die Membran einwirkenden Kräfte und die durch die Hubbewegung
vergrößerte Membranspannung das Gleichgewicht halten.
Beträgt nun - der oben getroffenen Annahme über den
Referenzdruck und die Intensität der transmittierten
Lichtmenge folgend - der Membranhub ein Viertel der
Wellenlänge des kohärenten und monochromen Laserlichts, so
registriert die Licht-Sender/Empfängereinheit 30 ein erstes
Maximum MA1 der transmittierten Intensität. Nach einer
weiteren Verschiebung der Membran 13 von einer viertel
Wellenlänge 1 wird ein erstes Minimum MI1 der transmittierten
Intensität registriert. Nach einem weiteren Membranhub von
einer viertel Wellenlänge 1 wird ein zweites Maximum MA2 der
Intensitätsverteilung in der Licht-Sender/Empfängereinheit 30
registriert, etc.
Dem Fachmann ist aus obiger Beschreibung nun sofort das
Meßprinzip des faseroptischen Drucksensors 10 ersichtlich: Die
auf einer interferometrischen Längenmessung basierende
digitale Druckmessung erfolgt derart, daß von der in den
optoelektronischen Detektordioden 33a, 33b der
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 registrierten
Intensitätsverteilung des transmittierten Lichts in der
Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 nur die Maxima und/oder
die Minima der transmittierten Lichtintensität ausgewertet
werden. Durch ein einfaches Abzählen der bei einer Hubbewegung
der Membran 13 auftretenden, derart "digitalisierten" Maxima
und/oder Minima ist es in einfacher Art und Weise möglich, die
Hubbewegung der Membran 13 mit einer Genauigkeit von einer
viertel Wellenlänge 1 des verwendeten kohärenten und
monochromen Laserlichts zu bestimmen. Aus der bekannten
Beziehung zwischen dem die Membran 13 beaufschlagenden Druck p
und der dadurch ausgelösten Hubbewegung dieser Membran 13 ist
es direkt möglich, den Druck p zu berechnen. Die mit dieser
digitalen Auswertemethode erzielbare Genauigkeit beträgt - bei
einer gleichzeitigen Erfassung der Maxima und der Minima der
transmittierten Intensitätsverteilung ein Viertel der
Wellenlänge 1 des von der Licht-Sender/Empfängereinheit 30
emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts. Ist nur
eine geringere Längen- und somit Druckauflösung erforderlich,
so ist es ausreichend, entweder die Maxima oder die Minima der
transmittierten Intensitätsverteilung zu erfassen. Die
Längen/Druckauflösung beträgt dann eine halbe Wellenlänge 1
des verwendeten kohärenten und monochromen Laserlichts.
Der faseroptische Drucksensor zeichnet sich durch seine
Streckenneutraltität aus. In der dem
Monomode-Lichtwellenleiter 11 nachgeschalteten Ansteuer- und
Auswerteelektronik 40 werden nur die Minima und die Maxima der
Intensitätsverteilung der transmittierten Lichtmenge
registriert, so daß Intensitätsschwankungen - wie sie z. B.
durch unterschiedliche Übertragungsstreckenlängen oder der
Alterung der Lichtwellenleiter und/oder der Laserdiode
auftreten - auf die Meßgenauigkeit keinen Einfluß haben.
Außerdem ist bei dieser digitalen Erfassung von Vorteil, daß
die erzielbare Meßgenauigkeit in weiten Grenzen unabhängig von
der Signalform und von der Güte des Fabry-Perot-Resonators
ist.
Es ist natürlich ebenfalls möglich, mit einer entsprechend
ausgebildeten optoelektronischen Detektoreinrichtung und einer
geeigneten Auswerteelektronik die gesamte
Intensitätsverteilung des transmittierten Lichts analog zu
erfassen und die erfaßte Intensitätsmodulation des
transmittierten Lichts gemäß der durch die Airy-Formel
gegebenen Verlauf der Zwischenwerte zwischen einem Maximum und
einem Minimum in eine Längenänderung des
Fabry-Perot-Resonators umzurechnen und daraus die
Druckbeaufschlagung der Membran 13 zu ermitteln. Desweiteren
ist es möglich, die registrierte Intensitätsverteilung quasi
digital auszuwerten, d. h. die Intensitätsänderung in diskreten
Schritten zu erfassen.
Zur weiteren Erhöhung der Druckauflösung kann
vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß im
Fabry-Perot-Resonator zwischen der Verspiegelung 14 und der
Stirnfläche 11′ ein optisches System zur Fokussierung und/oder
Faltung der im Faby-Perot-Resonator hin und herreflektierten
Lichtstrahlen angeordnet ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß der
optische Weg verdoppelt oder vervielfacht wird, den die
Lichtstrahlen zurücklegen, bevor sie wieder in den
Lichtwellenleiter 11 eintreten. Dieses optische System wurde -
aus Gründen der Übersichtlichkeit - in Fig. 2 nicht
dargestellt. Es ist dem Fachmann aber bekannt, wie ein
derartiges bekanntes optisches System zur Fokussierung und
Faltung im Fabry-Perot-Resonator auszubilden und anzuordnen
ist.
Der aus der als Lichtquelle fungierenden, ein monochromes und
kohärentes Laserlicht emittierenden Laser-Sendediode 32 und
aus dem über den Monomode-Lichtwellenleiter 11 mit der
Lichtquelle verbundenen Druckmeßkopf 10 bestehende
faseroptische Drucksensor erlaubt eine zuverlässige und
präzise Druckmessung, wenn der zeitliche Verlauf der
Druckbeaufschlagung bekannt ist: Denn mit dem obigen
Meßprinzip des faseroptischen Drucksensors ist es noch nicht
möglich, eine Richtungsumkehr der Membran 13 zu erkennen, d. h.
es ist nicht möglich, zu entscheiden, ob der Druck p zu- oder
abnimmt. Diese mangelnde Richtungssensitivität des
interferometrischen Druckmeßverfahrens ist aus dem in Fig. 3
enthaltenen Diagramm ersichtlich: Es wird angenommen, daß die
Membran 13 nach einer Auslenkung um den Abstand X ihre
Gleichgewichtslage einnimmt. Bei der darauffolgenden Abnahme
des die Membran 13 beaufschlagenden Druckes p vergrößert sich
wiederum der Abstand zwischen der Verspiegelung 14 der
Membraninnenseite 13′ und der Stirnfläche 11′ des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 und somit die optische Länge L0
des Fabry-Perot-Resonators. Aufgrund der durch die Airy-Formel
gegebenen sin2-Abhängigkeit der transmittierten Intensität vom
Quotienten aus der optischen Länge L0 und der Wellenlänge R
ist es der digital arbeitenden, nur auf Maxima und Minima
ansprechenden Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 nicht
möglich, festzustellen, ob das registrierte Minimum MIX der in
Fig. 3 dargestellten Verteilung der transmittierten
Lichtintensität einer Vergrößerung des Druckes p oder einer
Verkleinerung desselben entspricht.
Aus diesem Grund ist in besonders vorteilhafter Art und Weise
vorgesehen, daß in den faseroptischen Druckmeßkopf 10 zwei
gegeneinander phasenverschobene Teilstrahlen des kohärenten
und monochromen Laserlichts eingespeist werden. Um diese
phasenverschobenen Wellenzüge diskriminieren zu können, ist es
erforderlich, diese zu codieren. Eine besonders vorteilhafte
Möglichkeit der Codierung dieser beiden Teilstrahlen des von
der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 emittierten Laserlichts
besteht darin, die beiden Teilstrahlen unterschiedlich -
vorzugsweise senkrecht aufeinander - linear zu polarisieren
und dann die Intensitäten der beiden unterschiedlich codierten
(polarisierten) Teilstrahlen getrennt auszuwerten. Eine
weitere Möglichkeit der Codierung besteht in der Verwendung
eines links- und eines rechtszirkular polarisierten
Teilstrahls.
Mit diesem weiter unter noch eingehend beschriebenen Verfahren
erhält man eine eindeutige Richtungserkennung der Hubbewegung
der Membran 13, die eine eindeutige Klassifizierung der
Zunahme oder der Abnahme des Druckes p ermöglicht. Diese
Codierung durch die Polarisation der beiden Teilstrahlen wird
im integriert optischen Chip 20 durchgeführt. Um die von dem
als Codiereinrichtung wirkenden integriert optischen Chip 20
polarisierten Laserstrahlen in den Druckmeßkopf 10 einspeisen
zu können, ist es in diesem Fall erforderlich, den
Lichtwellenleiter 11 als polarisationserhaltenden
Lichtwellenleiter auszubilden.
In Fig. 4 ist der integriert optische Chip 20 dargestellt. Der
von der Sender-Laserdiode 32 emittierte, vom weiteren
Monomode-Lichtwellenleiter 31 zum integriert optischen Chip 20
geleitete kohärente Laserstrahl wird in einem ersten
Richtkoppler 21a in zwei Teilstrahlen aufgespaltet, welche je
einen optischen Zweig 22a und 22b des integriert optischen
Chips 20 durchlaufen. Im ersten optischen Zweig 22a ist ein
erster Polarisationssteller 23a angeordnet, dessen bevorzugte
Durchlaßrichtung (Polarisationshauptachse) um 90° gegenüber
der Polarisationshauptsache des zweiten Polarisationsstellers
23b des zweiten optischen Zweiges 22b verdreht ist. Nach dem
Passieren des Polarisationsstellers 23a bzw. 23b weist der im
Zweig 22a bzw. 22b verlaufende Teilstrahl des kohärenten
Laserlichts eine genau definierte Polarisation auf.
Zusätzlich ist im ersten Zweig 22a ein Phasenschieber 24
vorgesehen, der eine Phasenverschiebung des polarisierten
Laserlichts des ersten Zweiges 22a gegenüber dem polarisierten
Laserlichts des zweiten Zweiges 22b erzeugt. Hierbei kann
vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß die mit dem
Phasenschieber 24 erzeugbare Phasenverschiebung variabel ist.
Desweiteren kann vorgesehen sein, daß der Phasenschieber 24
zusätzlich zur Phasenverschiebung eine elektrische Modulation
des im ersten Zweig 22a befindlichen kohärenten Laserlichts
durchführt.
In einem polarisationserhaltenden zweiten Richtkoppler 21b des
integriert optischen Chips 20 werden die beiden kohärenten,
zueinander orthogonal polarisierten und gegeneinander
phasenverschobenen Teilstrahlen der beiden optischen Zweige
22a und 22b wieder überlagert und gelangen über den
Monomode-Lichtwellenleiter 11 zum Druckmeßkopf 10.
Das aus dem interferometrischen Fabry-Perot-Drucksensors 10
ausgekoppelte und über den polarisationserhaltenden
Monomode-Lichtwellenleiter 11 zum integriert optischen Chip 20
zurückgeführte Laserlicht wird in einem
polarisationserhaltenden dritten Richtkoppler 21c in zwei
optische Detektorzweige 25a und 25b aufgespalten. In jedem
optischen Detektorzweig 25a und 25b ist ein Depolarisator 26a,
26b angeordnet. Der erste und der zweite Depolarisator 26a und
26b des ersten und des zweiten Detektorzweiges 25a und 25b
dient jeweils dazu, das aus dem Fabry-Perot-Resonator
ausgekoppelte, zwei verschiedene Polarisationsrichtungen
aufweisende Licht derart aufzuspalten, daß in der dem
jeweiligen Depolarisator 26a, 26b nachgeschalteten, über je
einen Multimode-Lichtwellenleiter 34a, 34b mit den Ausgängen
20a und 20b des integriert optischen Chips 20 verbundenen
optoelektronischen Detektordiode 33a, 33b (s. Fig. 1) jeweils
nur die von einer Polarisationsrichtung (Codierung)
herrührenden transmittierten Intensität registrieren. Diese
"Decodierung" der beiden simultan in aus dem
Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten, gegeneinander
phasenverschobenen Teilstrahlen erfolgt durch die
unterschiedliche Durchlaßcharakteristik der beiden
Depolarisatoren 26a und 26b: Einer der beiden Depolarisatoren
26a, 26b ist derart eingestellt, daß er nur Lichtstrahlen
durchläßt, die eine der Polarisationshauptsache des
Polarisationsstellers 25a bzw. 25b entsprechende
Polarisationsrichtung aufweisen. Analog dazu läßt der andere
der beiden Depolarisatoren 26b bzw. 26a nur Lichtstrahlen
durch, welche eine dem anderen Polarisationssteller 25b bzw.
25a entsprechende Polarisationsrichtung aufweist.
Das Funktionsprinzip des zwei polarisierte Teilstrahlen
verwendenden Drucksensors wird im folgenden anhand der Fig. 5
erläutert: Das in Fig. 5 dargestellte Diagramm zeigt - analog
wie die Fig. 3 - das zeitliche Verhalten der aus dem
Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten Intensität: Auf der
Abzisse des Diagramms ist der zeitliche Verlauf der in den
Detektordioden 33a bzw. 33b registrierten Lichtintensität
dargestellt. Auf der Ordinate des Diagramms der Fig. 5 ist die
auf die in den Fabry-Perot-Resonator eingekoppelte Intensität
I0 normierte Verteilung der transmittierten Intensität It
aufgetragen. Die in Fig. 5 enthaltene, voll durchgezeichnet
dargestellte Kurve 1 beschreibt die Verteilung der
transmittierten Intensität des den zweiten optischen Zweig 22b
des integriert optischen Chips 20 durchlaufenden Teilstrahls
des Laserlichts, also desjenigen Teilstrahls, der im
integriert optischen Chip 20 keine Phasenverschiebung erfährt.
Das Interferenzverhalten dieses Teilstrahls des in den
Fabry-Perot-Resonator eingekoppelten Laserlichts ist
vollkommen identisch mit dem in Fig. 3 dargestellten
Interferenzverhalten des an dieser Stelle eingehend
beschriebenen Laserstrahls. Die oben angeführten Überlegungen
sind hier in vollkommen analoger Art und Weise gültig, so daß
auf eine Beschreibung der Kurve 1 der Fig. 5 verzichtet werden
kann.
Die strichliert dargestellte Kurve 2 gibt die zeitliche
Änderung der Interferenzmaxima und Interferenzminima des den
ersten optischen Zweig 22a des integriert optischen Chips 20
durchlaufenden ersten Teilstrahl wieder, d. h. desjenigen
Teilstrahls, welcher im integriert optischen Chip 20 eine
Phasenverschiebung gegenüber dem zweiten Teilstrahl erleidet.
Die Intensitätsverteilung des phasenverschobenen Teilstrahls
ist aus der oben angeführten Gleichung leicht ableitbar, indem
man dem Argument der im Nenner der Airy-Funktion auftretenden
Sinus-Funktion die Phasenverschiebung hinzuaddiert. Man
erkennt aus dem Diagramm der Fig. 5, daß die Interferenzmaxima
und -minima des phasenverschobenen Teilstrahls - der gewählten
Phasenverschiebung entsprechend - gegenüber den entsprechenden
Interferenzmaxima und -minima des nicht phasenverschobenen
Teilstrahls um ein gewisses Zeitintervall Δt bis zum
Umkehrzeitpunkt X hinterhereilen. Die in der Ansteuer- und
Auswerteelektronik 40 durchgeführte zeitliche Auflösung der
individuell in den einzelnen Detektordioden 33a und 33b
registrierten, durch ihre Codierung vom integriert optischen
Chip 20 diskriminierbaren Teilstrahlen ist es nun möglich, die
durch Druckfluktuationen oder ein Abnehmen des Druckes p
hervorgerufene Umkehr in der Hubrichtung der Membran 13
festzustellen. Wesentlich dazu ist, daß - wie aus Fig. 5 klar
ersichtlich ist - sich die zeitliche Abfolge der
Intensitätsmaxima und -minima des ersten Teilstrahls und des
zweiten Teilstrahls umkehrt. Während die Intensitätsmaxima und
Intensitätsminima des phasenverschobenen Teilstrahls den
entsprechenden Intensitätsmaxima und Intensitätsminima des
nicht phasenverschobenen Teilstrahls bei einer
Bewegungsrichtung der Membran 13 zur Stirnfläche 11′ des
Lichtwellenleiters hin - also bei einer Verringerung der
optischen Länge L0 des Fabry-Perot-Resonators nacheilen,
treten die nach einer Richtungsumkehr der Membranbewegung -
also bei einer durch die verringerte Auslenkung der Membran 13
hervorgerufenen Vergrößerung der optischen Länge L0 des
Fabry-Perot-Resonators - die Intensitätsmaxima und
Intensitätsminima des phasenverschobenen Teilstrahls zeitlich
vor den entsprechenden Intensitätsmaxima und Intensitätsminima
des nicht phasenverschobenen Teilstrahls auf. Die Ansteuer
und Auswerteelektronik 40 erfaßt diese zeitliche Änderung der
relativen Phasenlage der transmittierten Intensitäten der
einzelnen Teilstrahlen und berechnet dann - in einer dem
Fachmann aus den obigen Ausführungen leicht ersichtlichen Art
und Weise - aus dieser interferometrisch erfaßten Längen- und
Richtungsumkehr den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung und
damit - bei bekannter Beziehung zwischen Druckbeaufschlagung
und Hubbewegung der Membran 13 - den an der Membran 13
angreifenden Druck p.
Der aus der Laser-Sendediode 32, den integriert optischen Chip
20, den mit dem integriert optischen Chip 20 über den
polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 11
verbundenen Druckmeßkopf 10 und den beiden Detektordioden 33a
und 33b der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 bestehende
Drucksensor erlaubt es in besonders vorteilhafter Art und
Weise, den die Membran 13 beaufschlagenden Druck p auch dann
sicher und zuverlässig zu erfassen, wenn der Druckverlauf
nicht bekannt ist und/oder Fluktuationen aufweist.
Eine alternative Ausführungsform des faseroptischen
Drucksensors verwendet eine leicht modifizierte Version des
integriert optischen Chips 20. Diese alternative Ausbildung
dieses Bauteils des faseroptischen Drucksensors ist leicht aus
der in Fig. 4 dargestellten Ausführung des integriert
optischen Chips 20 ableitbar, so daß dieser alternativen
Version keine eigne Zeichnung gewidmet wurde. Das wesentliche
Merkmal dieser Ausführungsform des integriert optischen Chips
20 besteht darin, daß die Polarisationshauptrichtung des
ersten Polarisationsstellers 23a sehr schnell elektrisch
modulierbar ist, d. h. der den elektrisch modulierbaren ersten
Polarisationssteller 23a durchlaufende Lichtstrahl wird in
eine zeitliche Abfolge von Strahlsegmenten zerlegt, die
alternierend eine unterschiedliche - vorzugsweise eine
zueinander orthogonale oder in ihrem Drehsinn unterschiedliche
- Polarisierung aufweisen. Durch eine derartige Codierung des
von der Sender-Laserdiode 32 emittierten, über den
Monomode-Lichtwellenleiter 31 zum integriert optischen Chip 20
geleiteten monochromen und kohärenten Laserlichts vereinfacht
sich der Aufbau des integriert optischen Chips 20 und der
Aufbau der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 beträchtlich: Da
es der elektrische modulierbare erste Polarisationssteller 23a
erlaubt, innerhalb des ersten Teilstrahls des ersten optischen
Zweiges 22a zwei gegeneinander diskriminierbare
Polarisationsrichtungen zu erzeugen, kann der zweite optische
Zweig 22b des integriert optischen Chips 20 ersatzlos
entfallen. Der Aufbau und somit die Herstellungskosten des
integriert optischen Chips 20 werden dadurch drastisch
reduziert, da der erste Richtkoppler 21a, der zweite
Richtkoppler 21b und der zweite Polarisationssteller 23b nicht
mehr nötig sind.
Vorteilhafterweise kann ferner vorgesehen sein, daß die
Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 derart ausgebildet ist,
daß die von einer optoelektronischen Detektordiode 33a, 33b
registrierte Verteilung der transmittierten Intensität
zeitlich segmentiert aufgelöst werden kann. Mit anderen
Worten: Der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 ist es
möglich, zu erkennen, wie die in einer optoelektronischen
Detektordiode 33a, 33b zu einem gewissen Zeitpunkt erfaßte
Lichtintensität der einen oder der anderen
Polarisationsrichtung (Codierung) des Lichtstrahls zuzurechnen
ist. Eine derartige Ausbildung der Ansteuer- und
Auswerteelektronik 40 ermöglich es in besonders vorteilhafter
Art und Weise, den Aufbau des integriert optischen Chips 20
und der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 weiter zu
vereinfachen. Das zeitlich segmentiert arbeitende und damit
die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des zur
interferometrischen Längenmessung verwendeten Laserstrahls
erfassende Auflösevermögen der Ansteuer- und Auswertelektronik
40 erlaubt es, nur mit einer einzigen optoelektronischen
Detektordiode, z. B. der Detektordiode 33a, eine zuverlässige
Druckmessung durchzuführen. Demzufolge kann die zweite
Detektordiode 33b der Licht-Sender/Empfängereinrichtung 30
ersatzlos entfallen. Dies hat zur Konsequenz, daß dann auch
der integriert optische Chip 20 einfacher und damit billiger
auszuführen ist: Der zweite Detektorzweig 25b des integriert
optischen Chips - und somit der dritte Richtkoppler 21c, der
zweite Depolarisator 26b und der zweite
Mulitmode-Lichtwellenleiter 34b - werden nicht mehr benötigt
und können daher entfallen.
Bei den obigen Ausführungen wurde davon ausgegangen, daß die
Codiereinrichtung als integriert optischer Chip 20 ausgeführt
ist. Es ist dem Fachmann aber klar ersichtlich, daß es ebenso
moglich ist, die einzelnen Funktionseinheiten des integriert
optischen Chips 20 als diskrete Bauelemente in konventioneller
Technik auszuführen. Auf der anderen Seite ist es natürlich
möglich, die Laser-Sendediode 32 und/oder die
optoelektronischen Detektordioden 33a, 33b der
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 als integrale Bestandteile
des integriert optischen Chips 20 auszubilden. Der dadurch
entstehende, sowohl elektrisch wie auch optische Anschlüsse
aufweisende integriert optische Chip besitzt den Vorteil, daß
dieser direkt - d. h. vom Hersteller - fertig abgleichbar ist,
wodurch sich der Aufbau des faseroptischen Drucksensors
vereinfacht, was wiederum positive Auswirkungen auf die
Herstellungskosten mit sich bringt.
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß das
Auflösevermögen der interferometrischen Längenmessung und
somit die Druckauflösung prinzipiell von der Wellenlänge des
verwendeten monochromen und kohärenten Laserlichts bestimmt
wird. Zur Erhöhung der Auflösung der interferometrischen
Längenmessung kann in besonders vorteilhafter Art und Weise
vorgesehen sein, daß durch eine Modulation der
Laser-Sendediode 32 eine Einseitenband-Modulation des von
dieser emittierten Laserlichts stattfindet. In diesem Fall ist
es zweckmäßig, den Lichtwellenleiter 11 und den weiteren
Lichtwellenleiter 31 als Multimode-Lichtwellenleiter
auszubilden. Durch eine derartige Maßnahme wird erreicht, daß
- auch bei einer digitalen Auswertung - die Auflösung des
faseroptischen Drucksensors weitgehend gleichwertig mit einer
analogen, die Zwischenwerte der Teilungskurven der
transmittierten Intensität erfassenden Auswertemethode ist.
Das oben beschriebene, auf einer interferometrischen Erfassung
der durch die Druckbeaufschlagung ausgelösten Hubbewegung der
Membran 13 basierende Druckmeßverfahren ist von seinem
Grundprinzip her nicht temperaturabhängig. Um jedoch eine
exakte Zuordnung zwischen der gemessenen Längenänderung des
Fabry-Perot-Resonators und der Druckbeaufschlagung der Membran
13 herstellen zu können, ist es erforderlich, sekundäre
Temperatureffekte zu berücksichtigen: Durch die
Temperaturbelastung des faseroptischen Druckmeßkopfs 10 ist es
möglich, daß eine thermische Ausdehnung des Gehäuses 12 des
Druckmeßkopfs 10 stattfindet. Außerdem verändert sich der
E-Modul des Membranmaterials temperaturabhängig, d. h. der Hub
der Membran ist - bei gleicher Druckbeaufschlagung - bei
höheren Temperaturen größer. Außerdem ändert sich die optische
Länge L0 des Fabry-Perot-Resonators infolge der
Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes n des zwischen der
Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13′ und der Stirnfläche
11′ des Lichtwellenleiters 11 befindlichen Mediums. Der
letztgenannte sekundäre Temperatureffekt ist leicht behebbar,
in dem man vorsieht, daß das Gehäuse 12 des Druckmeßkopfs 10
evakuiert ist. Die beiden erstgenannten sekundären
Temperatureffekte erfordern es jedoch, die Temperatur der
Membran 13 und/oder die Temperatur des Gehäuses 12 zu erfassen
und auf der Grundlage dieser Temperaturmessung eine
Temperaturkompensation der interferometrisch ermittelten
Längenänderung vorzunehmen.
Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß - wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist - der Druckmeßkopf 10 mit einem
Temperaturfühler 50 ausgestattet ist, welcher über eine
Signalleitung 51 mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40
verbunden ist. Dieser Temperaturfühler 50 kann als
konventionell ausgebildetes Thermometer ausgeführt sein, mit
dem die Temperatur der Membran 13 und/oder des Gehäuses 12 des
faseroptischen Druckmeßkopfs 10 erfaßbar ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsart des
Temperaturfühlers 50 besteht darin, daß der Druckmeßkopf 12
einen weiteren, in Fig. 2 nicht explizit dargestellten
Lichtwellenleiter aufweist, mit dem eine Infrarotstrahlung in
den Druckmeßkopf 10 einspeisbar ist. Ebenso kann vorgesehen
sein, daß der Lichtwellenleiter 11 sowohl zur Versorgung des
Fabry-Perot-Resonators mit monochromen und kohärenten
Laserlichts zur Druckmessung als auch zur Einspeisung einer
Infrarot-Strahlung zur Infrarot-Temperaturmessung dient. Dem
Fachmann ist der Aufbau und die Funktionsweise eines
derartigen Infrarot-Temperaturmeßsystems bekannt, so daß auf
eine weitergehende Beschreibung an dieser Stelle verzichtet
werden kann. Ein faseroptischer Druckmeßkopf 10 mit einem
derartigen Infrarot-Temperaturmeßsystem erlaubt nicht nur die
einfache und zuverlässige Temperaturkompensation der über die
interferometrische Längenmessung ermittelten Druckwerte.
Vielmehr ist es in vorteilhafter Art und Weise möglich, über
ein derartiges Infrarot-Temperaturmeßsystem auf die Temperatur
des die auf die Außenseite der Membran 13 einwirkenden
Mediums, z. B. des Kunststoffmaterials bei Extrusions- und
Spritzgußmaschinen zu erfassen. Ein derartiger, gleichzeitig
eine Druckmessung und eine Temperaturbestimmung des
Kunststoffmaterials ermöglichender faseroptischer Drucksensor
ist besonders vorteilhaft bei Spritzgieß- und
Extrusionsmaschinen einsetzbar, da bei diesen - wie bereits
eingangs erwähnt - die Überwachung dieser Parameter für eine
qualitativ hochwertige Fertigung der Extrusions- und
Spritzgießteile unerläßlich ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des beschriebenen
Druckmeßkopfs 10 besteht darin, daß der die
Infrarot-Temperaturmessung erlaubende
Infrarot-Lichtwellenleiter durch das Gehäuse 22 geführt wird
und in einer - nicht dargestellten - Quarzlinse an der
Vorderseite des Gehäuses 12 mündet. Diese Maßnahme besitzt den
Vorteil, daß es ein derart ausgestalteter Druckmeßkopf 10 in
besonders vorteilhafter Art und Weise nicht nur eine
Druckmessung ermöglicht. Vielmehr erlaubt es der durch das
Gehäuse 12 zur Quarzlinse führende und seine
Infrarot-Strahlung direkt in das zu messende Medium strahlende
Infrarot-Lichtwellenleiter, simultan eine kombinierte
Druck/Temperaturmessung durchzuführen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckmeßkopfes ist in
der Fig. 6 dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist
mit dem in Fig. 2 dargestellten und weiter oben eingehend
beschriebenen Druckmeßkopf 10 weitgehend identisch, so daß
gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden
können.
Der wesentliche Unterschied zwischen diesen weiteren
Druckmeßkopf 110 und dem oben beschriebenen Druckmeßkopf 10
besteht darin, daß der Druckmeßkopf 110 derart ausgeführt ist,
daß der auf ihn einwirkende Druck p nicht direkt an der
Membran 13 angreift.
Vielmehr ist in vorteilhafter Art und Weise vorgesehen, daß
der Membran 13 ein in einer Hülse 17 geführter Kolben 18
vorgeschaltet ist. Der Kolben 18 verschiebt sich infolge des
an seiner Stirnfläche 18′ angreifenden Druckes p zur Membran
13 hin und bewirkt, daß diese - analog wie beim Druckmeßkopf
10 - eine Hubbewegung ausführt. Die Funktionsweise des
Druckmeßkopfs 110 ist im weiteren vollkommen analog zur
Funktionsweise des oben beschriebenen Druckmeßkopfes 10, so
daß weitere Ausführungen an dieser Stelle überflüssig sind.
Die mittelbare, über den Kolben 18 erfolgende
Druckbeaufschlagung der Membran 13 des Druckmeßkopfes 110
besitzt den Vorteil, daß die Membran 13 keiner so hohen
Temperaturbelastung ausgesetzt ist, wie dies bei der Membran
des Druckmeßkopfes 10 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des
Druckmeßkopfes 110 besteht darin, daß es leicht möglich ist,
diesen auch an schwer zugängliche Meßorte zu plazieren, da
aufgrund der kompakten Ausbildung der Hülse 17 samt des in ihr
aufgenommenen Kolbens 18 nur ein geringer Platzbedarf für den
als Druckaufnehmer fungierenden Teil des Druckmeßkopfes 110
nötig ist.
Abschließend ist festzustellen, daß die Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensors nicht auf die
oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Dem
Fachmann ist aus obiger Beschreibung des Aufbaus und der
Funktionsweise der einzelnen Systemkomponenten des
faseroptischen Drucksensors klar ersichtlich, welche
Kombinationen der einzelnen Systemkomponenten er vorzunehmen
hat, um den auf dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers
basierenden Druckmeßkopf den von ihm gewünschten Einsatzzweck
anzupassen.
Claims (18)
1. Faseroptischer Drucksensor, mit einem Druckmeßkopf
(10, 110), der ein Gehäuse (12) aufweist, in dem eine als
Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine
Hubbewegung ausführende Membran (13) aufgenommen ist, deren
Membraninnenseite (13′) mit einer hochreflektierenden
Verspiegelung (14) versehen ist, und mit einem
Lichtwellenleiter (11), dessen Stirnfläche (11′) auf die
hochreflektierende Verspiegelung (14) der Membraninnenseite
(13′) ausgerichtet ist und über den von einer Lichtquelle
(32) emittiertes Licht in den Druckmeßkopf (10, 110)
eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13′) und die
Stirnfläche (11′) des Lichtwellenleiters (11) orthogonal zu
einer optischen Achse (15) des Lichtwellenleiters (11)
verlaufen, und daß die Stirnfläche (11′) des
Lichtwellenleiter (11) teilreflektierend ausgeführt ist, so
daß durch die hochreflektierende Verspiegelung (14) der
Membraninnenseite (13′) und durch die teilreflektierende
Stirnfläche (11′) des Lichtwellenleiters (11) ein
Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird, in dem das vom
Lichtwellenleiter (11) in den Fabry-Perot-Resonator
(11′, 14) eingekoppelte Licht an der hochreflektierenden
Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13′) zur
teilreflektierenden Stirnfläche (11′) des
Lichtwellenleiters (11) reflektiert wird, und in
dem dieses reflektierte Licht zu einem dem
Reflektionskoeffizienten R der teilreflektierenden
Stirnfläche (11′) des Lichtwellenleiters (11)
entsprechenden Anteil zur hochreflektierenden Verspiegelung
(14) der Membraninnenseite (13′) zurückgespiegelt wird, und
in dem der verbleibende Anteil reflektierten Lichts durch
die teilreflektierende Stirnfläche (11′) des
Lichtwellenleiters (11) transmittiert wird, und daß das aus
dem Fabry-Perot-Resonator (11′, 14) ausgekoppelte und in den
Lichtwellenleitern (11) transmittierte Licht aufgrund der
im Fabry-Perot-Resonator (11′, 14) stattfindenden
Vielstrahlinterferenz des eingekoppelten Lichts eine
zeitliche Intensitätsverteilung aufweist, welche durch den
zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran (13)
bestimmt wird, und daß die Intensitätsverteilung des
transmittierten Lichts in einer optoelektronischen
Detektoreinrichtung (33a, 33b) registriert und in einer
Ansteuer- und Auswerteinrichtung (40) ausgewertet wird.
2. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der hochreflektierenden
Verspiegelung (14) und der teilreflektierenden Stirnfläche
(11′) des Lichtwellenleiters (11) des Druckmeßkopfes
(10, 110) ein optisches System zur Fokussierung und Faltung
der im Fabry-Perot-Resonator (11′, 14) verlaufenden
Lichtstrahlen angeordnet ist.
3. Faseroptischer Druckmeßsensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende
Verspiegelung (14) an der Membraninnenseite (13′) und/oder
die teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche (11′)
des Lichtwellenleiters (11) durch ein Aufdampfen und/oder
Polieren eines metallischen Substrats erzeugt wird.
4. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (13) im Bereich
ihrer Verspiegelung (14) verstärkt ausgebildet ist, so daß
bei der Hubbewegung der Membran (13) eine lineare
Verschiebung der Verspiegelung (14) erfolgt, derart, daß
die Verspiegelung (14) während der Hubbewegung orthogonal
zur optischen Achse (15) des Lichtwellenleiters (11)
verbleibt.
5. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der
Membran (13) des Druckmeßkopfs (110) über einen an der
Membran (13) angreifenden Kolben (18) erfolgt, der in einer
mit dem Gehäuse (12) fest verbundenen Hülse (17)
verschiebbar geführt ist.
6. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die zum Transport des von der
Lichtquelle (32) emittierten monochromen und kohärenten
Lichts zum Fabry-Perot-Resonator (11′, 14) des Druckmeßkopfs
(10) verwendeten Lichtwellenleiter (11, 32) als
Monomode-Lichtwellenleiter ausgebildet sind.
7. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen den Druckmeßkopf (10, 110) und
die Lichtquelle (32) eine Codiereinrichtung (20) geschaltet
ist, in der das von der Lichtquelle (32) emittierte und
über einen weiteren Lichtwellenleiter (31) zur
Codiereinrichtung (20) geleitete Licht in einem ersten
Richtkoppler (21a) in einen ersten und einen zweiten
Teilstrahl aufgespaltet wird, welche je einen ersten und
einen zweiten optischen Zweig (22a, 22b) der
Codiereinrichtung (20) durchlaufen, und daß im ersten
optischen Zweig (22a) eine Polarisationssteller (23a) und
ein Phasenschieber (24) angeordnet sind, durch welche der
den ersten optischen Zweig (22a) durchlaufende erste
Teilstrahl polarisiert wird und eine Phasenverschiebung
erfährt, und daß im zweiten optischen Zweig (22b) ein
zweiter Polarisationssteller (23b) angeordnet ist, durch
den der zweite optische Zweig (22b) durchlaufende zweite
Teilstrahl polarisiert wird, wobei die bevorzugten
Durchlaßrichtungen des ersten und des zweiten
Polarisationsstellers (23a, 23b) derart ausgerichtet sind,
daß die Polarisationshauptachsen des ersten und des zweiten
Teilstrahl orthogonal zueinander verlaufen und daß in einem
polarisationserhaltenden zweiten Richtkoppler (21b) der
Codiereinrichtung (20) der erste und der zweite Teilstrahl
überlagert und synchron in den Lichtwellenleiter (11)
eingespeist werden, und daß der die Codiereinrichtung (20)
mit dem Druckmeßkopf (10, 110) verbindende Lichtwellenleiter
(11) polarisationserhaltend ausgebildet ist, und daß das
aus dem Fabry-Perot-Resonator (11′, 14) des Druckmeßkopfes
(10, 110) ausgekoppelte und über den
polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (11) zur
Codiereinrichtung (20) zurückgeleitete Licht in einem
polarisationserhaltenden dritten Richtkoppler (21c) in
einen ersten und in einen zweiten optischen Detektorzweig
(25a, 25b) aufgespaltet wird, und daß in jedem der beiden
optischen Detektorzweige (25a, 25b) ein Depolarisator
(26a, 26b) angeordnet ist, dessen bevorzugte
Durchlaßrichtung mit einer der Polarisationshauptachsen der
Polarisationssteller (23a, 23b) übereinstimmt, und daß ein
erster und ein zweiter Multimode-Lichtwellenleiter
(34a, 34b) vorgesehen ist, welcher je einen optischen
Detektorzweig (25a, 25b) mit je einer optoelektronischen
Detektordiode (33a, 33b) der Licht-Sender/Empfängereinheit
(30) verbinden.
8. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Codiereinrichtung durch einen
integriert optischen Chip (20) gebildet wird.
9. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Richtkoppler (21a, 21b, 21c), die
Polarisationssteller (23a, 23b, 26a, 26b) und der
Phasenschieber (24) als diskrete Bauelemente einer in
konventioneller Technik aufgebauten Codiereinrichtung (20)
ausgebildet sind.
10. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (24) elektrisch
modulierbar ist.
11. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwischen Lichtquelle (32) und
Druckmeßkopf (10) angeordnete Codiereinrichtung (20) einen
elektrisch modulierbaren Polarisationssteller und einen
elektrisch modulierbaren Phasenschieber aufweist, durch
deren koordiniertes Zusammenwirken die von der Lichtquelle
(32) emittierte und über den weiteren Lichtwellenleiter
(31) in die Codiereinrichtung (20) eingespeiste Licht in
eine zeitliche Abfolge von zwei periodisch
wiederkehrenden, aufeinanderfolgenden Lichtsegmenten
aufgespaltet wird, wobei das erste Lichtsegment gegenüber
dem zweiten Lichtsegment eine unterschiedliche
Polarisation und eine Phasenverschiebung aufweist, und daß
der derart segmentierte Lichtstrahl über den
polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (11) in den
Druckmeßkopf (10, 110) eingespeist wird.
12. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das vom Fabry-Perot-Resonator (11′, 14)
des Druckmeßkopfes (10) ausgekoppelte und über den
polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (11) zur
Codiereinrichtung (20) zurückgeführte Licht über einen
polarisationserhaltenden Richtkoppler (21c) in den ersten
optischen Detektorzweig (25a) geleitet wird, und daß die
Ansteuer- und Auswerteelektronik (40) derart ausgebildet
ist, daß die momentan in der optoelektronischen
Detektordiode (33a) registrierte transmittierte
Lichtintensität jeweils einer der beiden alternierenden
Polarisationshauptrichtungen zuordbar ist.
13. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1, 7
oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32)
als elektrisch modulierbare Laserdiode ausgeführt ist, die
eine Einseitenband-Modulation des von der Lichtquelle (32)
emittierten kohärenten Laserlichts bewirkt, und daß der
Lichtwellenleiter (11) und der weitere Lichtwellenleiter
(32) als Multimode-Lichtwellenleiter ausgeführt sind.
14. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-13,
dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (12) des
Druckmeßkopfs (10, 110) ein Temperaturfühler (50)
angeordnet ist, der über eine Signalleitung (51) mit der
Ansteuer- und Auswerteelektronik (40) verbunden ist.
15. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (50) des
Druckmeßkopfes (10, 110) als Infrarot-Temperaturmeßsystem
ausgebildet ist, und daß die zur Versorgung dieses
Infrarot-Temperaturmeßsystems erforderliche
Infrarotstrahlung durch einen in das Gehäuse (12) des
Druckmeßkopfes (10, 110) mündenden
Infrarot-Lichtwellenleiter erfolgt.
16. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einspeisung der Infrarot-Strahlung
zur Versorgung des Infrarot-Temperaturmeßsystem durch den
das Fabry-Perot-Interferometer (11′, 14) vorsorgenden
Lichtwellenleiter (11) erfolgt.
17. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Infrarot-Lichtwellenleiter durch
das Gehäuse (12) geführt wird und in einer von der
Vorderseite des Gehäuses (12) vorgesehenen Quarzlinse
mündet.
18. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-17,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (11) und
der Infrarot-Lichtwellenleiter durch eine Verklebung (16)
der Ummantelung (11a) der Lichtwellenleiter (11′) mit
einem Hochtemperaturkleber im Gehäuse (12) des
Druckmeßkopfs (10) gehaltert ist.
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