DE4035373C2

DE4035373C2 - Faseroptischer Druck- oder Verschiebungsfühler

Info

Publication number: DE4035373C2
Application number: DE19904035373
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Phys Hamann
Original assignee: Fibronix Sensoren GmbH
Current assignee: Fibronix Sensoren GmbH
Priority date: 1990-11-07
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2010-11-08
Also published as: DE4035373A1

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Druck- oder Verschiebungsfühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die Veröffentlichung "Fiber-optic interferometer using frequency-modulated laser diodes " von G. Beheim in der Zeit schrift APPLIED OPTICS, Vol. 25, No. 19, S. 3469-3472 (1986) ist ein solcher Fühler bekannt geworden, bei dem eine Absolut messung einer optischen Wegdifferenz mit Hilfe zweier frequenzmodulierter Laserdioden durchgeführt wird.

Als Interferometer ist ein Michelson-Interferometer mit einem Würfel-Strahlteiler und zwei Spiegeln vorgesehen, dessen Wegdifferenz über einen piezoelektrischen Sensor beeinflußt wird. Die beiden Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge werden mit einer Sinusfrequenz von ω = 100 Hz über einen Treiber im Multiplexbetrieb mit einem Tastverhältnis von 50% angesteuert. Die von den Laserdioden emittierten Lichtsignale werden einem Lichtwellenleiterkoppler zugeführt, dessen einer Ausgang über einen Lichtwellenleiter mit dem Interfero meter verbunden ist und dessen anderer Ausgang mit einer Monitordiode verbunden ist. Die Frequenzmodulation der Laser dioden entspricht einer Phasenmodulation des Interferometers, dessen Ausgangssignal über eine zweite Monitordiode detek tiert wird. Da die Phasenlage des Interferometers bezüglich beider Lichtfrequenzen von der optischen Wegdifferenz beein flußt wird, kann letztere durch Phasenmessungen bezüglich beider Frequenzen bestimmt werden.

Das in der Veröffentlichung von G. Beheim beschriebene Ver fahren der interferometrischen Abstandsmessung bleibt funk tionsfähig, wenn Eingangs- und Ausgangssignal des interfero metrischen Sensors am selben Lichtwellenleiter anliegen. Ver sucht man durch Verwendung eines Fabry-Perot-Interferometers das in Reflexion betrieben wird, eine bessere Auflösung des Verfahrens zu erreichen, so ergibt sich der Nachteil, daß ein zweiter Lichtwellenleiterkoppler zum Auskoppeln des Meß signals erforderlich wird, was zu einem erhöhten Phasen rauschen führt und einen erheblichen Kostenfaktor darstellt. Um das Phasenrauschen zu reduzieren, müssen daher die Komponen ten zur Lichtwellenleitung aus Monomode-Fasern aufgebaut wer den, was jedoch eine erhebliche Verteuerung des Systems im Vergleich zu Multimode-Fasern bedeutet.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Fühler der eingangs genannten Art so verbessert werden, daß ohne zusätzliche Kollimatoroptik ein Resonator geringer Güte verwendet und dadurch die Kosten wesentlich gesenkt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An sprüchen 2 und 3 angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht unter Verwendung eines Fabry-Perot-Resonators den Aufbau eines sehr kleinen und robusten Fühlerelements mit einem einzigen Lichtwellen leiter zur Führung des Eingangs- und des Ausgangssignals. Gleichzeitig wird dadurch, daß das vom Sensor erzeugte Meß signal während der Einschaltdauer jeweils einer Laserdiode von der mit der anderen Laserdiode kombinierten Monitordiode detektiert wird, ein zweiter Lichtwellenleiterkoppler nicht benötigt, da die in den Laserdioden integrierten Monitordio den das Meßsignal detektieren können, wenn die zugehörigen Laserdioden ausgeschaltet sind. Infolge des niedrigen Phasen rauschens kann die Meßeinrichtung für zahlreiche Anwendungs fälle unter Verwendung von Multimode-Fasern aufgebaut werden.

Die beiden Laserdioden werden vorzugsweise im Zeitmultiplex mit einem Tastverhältnis von 50% mit Hilfe eines von einem Oszillator erzeugten Sinusträgers über einen Spannungs-Strom wandler angesteuert.

Ferner kann eine durch eine strominduzierte Frequenzmodulation der Laserdioden auftretende Intensitätsmodulation kompen siert und aus den kompensierten Signalen, die von der ersten Laserdiode bzw. der zweiten Laserdiode erzeugt sind, die im Bereich der ersten Oberwelle liegenden Signalanteile extra hiert werden. Schließlich können die Phasen dieser Anteile bezüglich der Modulationsfrequenz gemessen und daraus die optische Wegdifferenz bzw. der auf den Fühler wirkende Druck bestimmt werden.

Aus der DE 38 11 178 A1 ist zwar bereits die Verwendung eines Fabry-Perot-Interferometers grundsätzlich bekannt. Da es sich bei der aus dieser Druckschrift bekannten Anordnung infolge der dort verwendeten Kollimatoroptik um einen Resona tor mit parallelem Strahlengang handelt, kann die Resonator länge problemlos einige mm betragen. Die vorliegende Erfin dung benötigt jedoch keine Kollimatoroptik und verwendet einen Fabry-Perot-Resonator, in welchem die unbeschichtete Faserendfläche des angeschlossenen Lichtwellenleiters als Reflektor verwendet wird. Dabei werden die Nachteile eines solchen Resonators geringer Güte in Kauf genommen, was durch die geschilderte Vereinfachung des Fühlers mehr als ausgegli chen wird.

Auch bei Einbeziehung eines Lasermoduls gemäß DE 38 25 126 A1 in die Vorrichtung gemäß DE 38 11 178 A1 würde sich lediglich ein Sensor mit wesentlich erhöhtem Pha senrauschen ergeben, und es könnten keinesfalls die Vorteile des erfindungsgemäßen Fühlers erreicht werden.

Die EP 0 300 640 A2 zeigt einen Resonator mit beschichteten Faserendflächen. Die Endfläche, die im Resonator liegt, hat zudem eine reflexmindernde Beschichtung.

Gemäß DE 38 41 742 A1 wird eine unbeschichtete Faserend fläche als Reflektor eingesetzt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines bevorzugten Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines geeigneten Fabry- Perot-Resonators in perspektivischer Darstellung und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Meßanordnung.

Der als Fabry-Perot-Resonator ausgebildete Sensor 14 gemäß den Fig. 1 und 2 weist zwei teilweise reflektierende Re flektoren 1, 3 auf. Der erste Reflektor 1 besteht aus der un beschichteten Faserstirnfläche eines Lichtwellenleiters 2, der mit dem Eingangssignal beaufschlagt ist. Der zweite Re flektor 3 ist parallel zum ersten Reflektor im Abstand d an geordnet und von diesem durch einen Hohlraum 4 getrennt. Ein gangs- und Ausgangssignal dieses interferometrischen Sensors liegen also am selben Lichtwellenleiter an.

Der Fabry-Perot-Resonator wird insbesondere als Druckfühler verwendet. Ein auf den zweiten Reflektor 3 einwirkender Druck bewirkt eine lineare Verschiebung oder Verbiegung dieses Reflektors. In Abhängigkeit einer solchen linearen Verschie bung, die gewöhnlich nur wenige Mikrometer beträgt, wird die optische Wegdifferenz 2d und damit die Interferometerphase verändert. Ein Vergleich der optischen Wegdifferen zen im belasteten und im unbelasteten Zustand ergibt die Verschiebung, aus der sich der einwirkende Druck bestimmen läßt.

Die Messung der optischen Wegdifferenz 2d bzw. des Abstandes d der Reflexionsflächen basiert auf der 2-Wellenlängenme thode (Heterodyn-Verfahren), wobei ein Vergleich der Phasen lagen des Interferometers bezüglich zweier unterschiedlicher Wellenlängen durchgeführt wird. Diese Phasendifferenz kann als Phase einer physikalisch nicht existenten Schwebungs welle aufgefaßt werden. Somit ist die 2-Wellenlängen-Methode ein Schwebungsverfahren zur Erzielung eines großen Eindeu tigkeitsbereiches bei hoher Auflösung.

Die Meßanordnung gemäß Fig. 2 weist zwei Laserdioden 5, 6 auf, die jeweils mit einer Monitordiode 12, 13 kombiniert ist. Die Laserdioden und Monitordioden werden durch einen Thermostaten auf möglichst konstanter Temperatur gehalten, um stabile Frequenzen zu erreichen. Die Ansteuerung der Laserdioden erfolgt mit Hilfe einer von einem Oszillator 7 erzeugten Frequenz cos (ωt) über einen Spannungs-Stromwandler als Stromquelle 8 mit den Steuerströmen I₁ (t) bzw I₂ (t). Wie nachfolgend noch näher beschrieben, werden dabei die Laserdioden zeitlich getrennt angesteuert, so daß während der Einschaltdauer der ersten Laserdiode 5 die zweite Laser diode 6 ausgeschaltet ist und umgekehrt.

Das Licht der Laserdioden 5, 6 wird über Lichtwellenleiter 9, 10 eingekoppelt und über einen Lichtwellenleiterkoppler 11 zusammengeführt. Es gelangt durch den Lichtwellenleiter 2 zum Sensor 14. Das von dort reflektierte Meßsignal wird von den mit den Laserdioden 5, 6 kombinierten Monitordioden 12, 13 empfangen. Ein zweiter Lichtwellenleiterkoppler zum Aus koppeln des Meßsignals entfällt, da die Monitordioden 12, 13 das Meßsignal detektieren können, wenn die zugehörigen Laserdioden 5, 6 ausgeschaltet sind. Somit detektiert die zweite Monitordiode 13 das Meßsignal, wenn die erste Laser diode 5 eingeschaltet ist und die zweite Laserdiode 6 ausge schaltet ist, und die erste Monitordiode 12 detektiert das Meßsignal, wenn die zweite Laserdiode 6 eingeschaltet und die erste Laserdiode 5 ausgeschaltet ist.

Die Signale der Monitordioden 12, 13 werden über Verstärker 15 getrennt verstärkt und einem Einfach-Umschalter 16 zuge führt, der synchron mit der Stromquelle 8 schaltet, so daß das Signal einer Monitordiode dann abgegriffen wird, wenn die zugehörige Laserdiode ausgeschaltet ist. Die Intensitätsmodulation, die bei der strominduzierten Fre quenzmodulation der Laserdioden zwangsläufig auftritt, wird durch eine Quotientenbildung des Meßsignals X(t) mit dem am freien Kopplerarm 17 über eine Photodiode 18 aufgenommenen und über einen Verstärker 15 verstärkten Signals Y(t) mit Hilfe eines Teilers 19 eliminiert. Das Ausgangssignal Z(t) des Teilers 19 ist einem Einfach-Umschalter zugeführt, der synchron mit der Stromquelle 8 schaltet, so daß das Meß signal in V₁(t) (erzeugt mit der ersten Laserdiode 5) und V₂(t) (erzeugt mit der zweiten Laserdiode 6) aufgeteilt wird. Aus diesen Signalen werden die im Frequenzbereich 2ω liegenden Anteile W₁(t) und W₂(t) mit Hilfe von Bandpaß filtern 21 extrahiert. Eine anschließende Phasenmessung mit den Phasenmeßeinrichtungen 22 in Bezug auf den Modulations träger ergibt, wie nachfolgend im einzelnen ausgeführt, die zu den jeweiligen Wellenlängen gehörenden Interferometerpha sen δ₁ und δ₂, aus denen die optische Wegdifferenz 2d bzw. nach einer entsprechenden Kalibrierung der Druck in einfacher Weise ermittelt werden kann.

Der zeitliche Verlauf der Speiseströme I₁(t) und I₂(t) der Laserdioden 5 und 6 wird folgendermaßen eingestellt:

mit

K₁, K₂ = Bias-Strom
M₁, M₂ = Amplituden des Sinusanteils
Δ = konstante Phasenlage des Sinusanteils
ω = Modulationsfrequenz.

Die Frequenz- bzw. Wellenlängenmodulation der Laserdioden entspricht einer Phasenmodulation des Interferometers, so daß die Phase des resultierenden elektrischen Ausgangs signals V(t) von der Phasenlage des Interferometers abhängt:

V(t) = 1+cos [Φ sin (ωt)-δ] (3)

mit

δ = Phasenlage des Interferometers ohne Modulation

Φ sin (ωt) = Phasenanteil, welcher durch die Modulation erzeugt wird
ω = Modulationsfrequenz

Die Phase Φ ist vom Modulationshub ΔF der Frequenzmodula tion, der optischen Wegdifferenz 2d und der Lichtgeschwin digkeit c abhängig:

Das Signal V(t) kann durch eine Fourierreihenentwicklung in die einzelnen harmonischen Anteile zerlegt werden. Dazu wird zunächst mit Hilfe des Additionstheorems

cos (x-y) = cos x cos y + sin x sin y

die Gleichung 3 umgeformt zu

V(t) = 1 + cos (Φ sin ωt) cos δ + sin (Φ sin ωt) sin δ. (5)

Durch die Entwicklung der Funktionen cos(Φ sin ω t) und sin( Φ sin ωt) in Fourierreihen erhält man Besselfunktionen J_n(Φ) für n = 0,1,2, . . . :

Die Fourierreihenentwicklung des Meßsignals wird durch Ein setzen der Gleichungen 6 und 7 in Gleichung 5 vollzogen:

Es entstehen zwei sinusförmige Signale mit den Amplituden cos δ und sin δ und der Differenzfrequenz ω . Die Phasenmodu lation des Interferometers mit der Frequenz ω verursacht eine Amplitudenmodulation des Meßsignals mit der Frequenz ω. Dadurch enthält jede Oberwelle Anteile aus dem cos δ-Therm und aus dem sin δ-Therm. Somit entsteht nach einer Bandpaß filterung bei 2ω, also bei der ersten Oberwelle, das Signal W(t):

W(t) = C₁ cos δ cos (2ωt) + C₂ sin δ sin (2ωt) (9)

C₁ und C₂ sind Konstanten, die von der Phase Φ abhängen. Mit Φ=2,8rad wird C₁=C₂. Durch Addition zweier sinusförmi ger Signale mit gleicher Frequenz und den Amplituden cos δ und sin δ erhält man ein sinusförmiges Signal mit der glei chen Frequenz und der Phasenverschiebung δ, also folgt aus Gleichung 9:

W(t) = cos (2ωt-δ) (10)

Die Koeffizienten M₁, M₂ und Δ der Speiseströme I₁(t) und I₂(t) (Gleichungen 1 und 2) werden so eingestellt, daß ϕ = 2,8 rad. Dann sind die Signale W₁(t) und W₂(t) näherungs weise gegeben durch

W₁(t) = cos (2ωt-δ₁) (11)

und

W₂(t) = cos (2ωt-δ₂) (12)

Die Phasenlage δ₁ bzw. δ₂ des Interferometers bezüglich der Wellenlänge λ₁ bzw. λ₂ entspricht der Phasenlage des elek trischen Signals W₁(t) bzw. W₂(t) bezüglich der Modulations frequenz. Die absolute Wegmessung ergibt sich aus der Pha sendifferenz Δδ zwischen δ₁ und δ₂:

Die Abstandsmessung ist eindeutig, solange Δ δ < 2π, also folgt für den maximalen absolut meßbaren Abstand d_max:

Bei der heterodynen Entfernungsmessung werden die Messungen aus beiden Wellenlängen miteinander verglichen. Es gilt

2d = λ₁ (N₁ + α₁) = λ₂ (N₂ + α₂), (15)

mit

N₁, N₂ = Anzahl der vollständigen Wellenzüge innerhalb des Resonators,

Für d<d_max wird N₁=N₂=N und damit

2d = Nλ₁ + α₁λ₁ = Nλ₂ + α₂λ₂. (16)

Aus der Messung von δ₁ und δ₂ kann die Differenz (α₂λ₂-α₁λ₁) ermittelt werden. Es gilt

2d - α₁λ₁ = Nλ₁ = Nλ₂ + α₂λ₂ - α₁λ₁. (17)

Damit wird

Die Interferenzordnung N wird aus Gleichung 18 durch Abrun den auf die nächste ganze Zahl bestimmt. Aus Gleichung 17 und 18 ergibt sich die optische Weglänge 2d:

2d = Nλ₁ + α₁λ₁. (19)

Hieraus kann nach entsprechender Kalibrierung der auf den Sensor wirkende Druck bestimmt werden.

Der Aufwand für die Auswertung ist vom benötigten Eindeutig keitsbereich abhängig. Je größer der Eindeutigkeitsbereich, desto genauer muß die Phasenmessung sein. Der Eindeutig keitsbereich wird größer, wenn die Wellenlängendifferenz kleiner wird (Gleichung 14). Die Differenz in der Phasenlage des Interferometers wird jedoch gemäß Gleichung 13 ebenfalls kleiner, so daß eine Phasenmessung mit höherer Auflösung erforderlich ist. Die Phasenmessung reagiert sehr empfind lich auf Wellenlängenschwankungen. Der absolute Fehler, der dadurch verursacht wird, wächst bei Verkleinerung der Wel lenlängendifferenz. Deswegen ist für die Erzielung eines großen Eindeutigkeitsbereiches eine Stabilisierung der Wel lenlängen vorgesehen.

Der Abstand d der beiden Reflektoren (1, 3) des Sensors ent spricht etwa der Länge der laseraktiven Streifen in den Laserdioden 5, 6. Dadurch werden Wellenlängenschwankungen, die durch die optische Rückkopplung des Meßsignals in den laseraktiven Streifen der Laserdioden erzeugt werden können, weitgehend kompensiert.

Da ein zweiter Lichtwellenleiterkoppler nicht erforderlich ist, wird das Phasen rauschen gegenüber herkömmlichen Meßverfahren erheblich reduziert. Dadurch ist es in vielen Fällen möglich, die Meß einrichtung unter Verwendung von Multimodefasern aufzubauen, was zu beachtlichen Kostenvorteilen führt und den Justier aufwand verringert.

Claims

1. Faseroptischer Druck- oder Verschiebungsfühler,
mit zwei monochromatischen Laserdioden unterschiedlicher Wellenlänge,
die vom Ausgangssignal eines Oszillators angesteuert und zyklisch aktiviert sind und
einerseits über einen Lichtwellenleiterkoppler und einen Lichtwellenleiter mit einem interferometrischen Sensor und andererseits mit einer Auswerteelektronik, die den Druck oder die Verschiebung aus den durch den Sensor erzeugten Phasenverschiebungen bezüglich der beiden Wellenlängen bestimmt, verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor aus einem optischen Fabry-Perot-Resonator (14) besteht,
daß ein Reflektor (1) des Fabry-Perot-Resonators (14) aus der unbeschichteten Faserstirnfläche des Lichtwellenlei ters besteht,
daß der andere Reflektor (3) des Fabry-Perot-Resonators (14) durch einen auf ihn einwirkenden Druck linear ver schiebbar oder verbiegbar ist,
daß jede Laserdiode (5, 6) eine integrierte Monitordiode (12, 13) aufweist,
daß die Laserdioden (5, 6) zeitlich getrennt aktiviert sind und
daß während der Einschaltdauer der jeweils eingeschalteten Laserdiode (5, 6) das vom Sensor erzeugte Meßsignal von der Monitordiode (13, 12) der jeweils ausgeschalteten Laserdiode (6, 5) detektiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der laseraktiven Streifen der Laserdioden (5, 6) annähernd dem Abstand (d) der Reflektoren (1, 3) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (2) und der Lichtwellenleiter koppler (11) aus Multimode-Fasern bestehen.