DE4114253A1

DE4114253A1 - Faseroptischer sensor

Info

Publication number: DE4114253A1
Application number: DE4114253A
Authority: DE
Inventors: Mathias Fauth; Klaus Bohnert
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1992-11-05
Also published as: CH683460A5; US5196695A; GB2256044B; GB2256044A; GB9209431D0

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Faseroptik. Sie betrifft insbesondere einen faseroptischer Sensor für elektrische Wechselfelder bzw. -spannungen, umfassend

a) ein piezoelektrisches Sensorelement;
b) eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, welche optische Faser zumindest teil weise an dem Sensorelement so fixiert ist, daß eine Dimensionsänderung des Sensorelements in einem elek trischen Feld zu einer Längenänderung in der Faser führt; und
c) Mittel zum Messen der feldbedingten Längenänderung der Faser.

Ein solcher faseroptischer Sensor ist z. B. aus der EP-A1-03 16 619 bekannt.

Stand der Technik

In verschiedenen Druckschriften wie z. B. den Europäischen Patentanmeldungen EP-A1-03 16 619 und EP-A1-03 16 635 oder den Artikeln von X. Bohnert und J. Nehring in Appl.Opt. 27, S.4814-4818 (1988), bzw. Opt.Lett. 14, S.290-292 (1989), sind bereits faseroptische Sensoren zur Messung von elektrischen Feldern und Spannungen beschrie ben worden.

Das dabei verwendete Meßprinzip beruht auf dem inversen Piezoeffekt in Materialien mit ausgesuchter Kristallsym metrie. Die zeitlich periodische Dimensionsänderung, die ein entsprechender piezoelektrische Körper in einem elek trischen Wechselfeld erfährt, wird auf eine an dem Körper fixierte Glasfaser übertragen. Die Längenänderung der Fa ser ist dann proportional zur Feld- bzw. Spannungsampli tude und wird interferometrisch gemessen und ausgewertet.

Für die interferometrische Messung können verschiedene Arten von Glasfaser-Interferometern eingesetzt werden. Aufgrund seiner Einfachheit ist von diesen Arten das aus dem Artikel von B. Y. Kim et al., Opt.Lett. 12, S.729-731 (1987), bekannte Zwei-Modi-Faser-Interferometer von be sonderem Interesse. Die Parameter der Sensorfaser sind bei diesem Interferometer so gewählt, daß sich in der Faser genau zwei Modi (der LP₀₁-Grundmodus und der ge rade LP₁₁-Modus) ausbreiten können.

Wie in Fig. 1A am Prinzip eines faseroptischen Feldsen sors dargestellt, wird beim Zwei-Modi-Faser-Interferome ter Licht aus einer kohärenten Lichtquelle 1, z. B. einer Laserdiode, durch eine Zwei-Modi-Faser 3 geschickt, wel che an einem piezoelektrischen Sensorelement 2 für das elektrische Feld E fixiert ist. Am Faserende kann man dann ein Interferenzmuster beobachten, welches sich aus der Überlagerung dieser beiden Modi ergibt. Eine Län genänderung der Faser führt zu einer differentiellen Pha senverschiebung zwischen beiden Modi, die sich in einer entsprechenden Änderung des Interferenzmusters äußert. Fig. 1B zeigt solche Interferenzmuster für drei charakte ristische Phasenunterschiede n2pi, (2n+1)(pi/2) und (2n+1)pi.

Die beiden nebeneinanderliegenden Substrukturen des In terferenzmusters (in Fig. 1B durch Halbellipsen angedeu tet) werden mit zwei Detektoren 5a und 5b (z. B. in Form von Photodioden) detektiert. An deren Ausgang liegen zwei um 180° phasenverschobene Signale V₁₁ und V₁₂ vor:

V₁₁ = (1/2)V₀(1+acos Φ(t)) (1)

V₁₂ = (1/2)V₀(1-acos Φ(t)) (2)

mit Φ(t) = Asin Ωt + R(t). Die Phasenverschiebung Φ(t) zwischen den beiden Modi setzt sich also zusammen aus einem durch das zu messende Wechselfeld hervorgerufenen zeitlich periodischen Anteil Asin Ωt (A ist dabei proportional zur Amplitude des Feldes) und einem willkürlichen Phasenterm R(t), der sich z. B. infolge von temperaturbedingten Fluktuationen der Faserlänge ebenfalls zeitlich ändern kann. V₀ schließlich ist proportional zur optischen Leistung und a ist ein Maß für den Interferenzkontrast.

Der gesuchte Term Asin Ωt wird häufig mit einem Homodyn-Detek tionsverfahren (Fig. 1e) aus den Ausgangssignalen der Detektoren 5a und 5b gewonnen (für einen faseropti schen Sensor mit Ein-Modi-Faser siehe dazu: D. A. Jack son et al., Appl.Opt. 19, 5.2926-2929 (1980); ein ent sprechender faseroptischer Sensor mit Zwei-Modi-Faser ist in der älteren Europäischen Anmeldung Nr. 9 01 23 660.4 beschrieben). Bei diesem Verfahren wird die Sensorfaser (im dargestellten Beispiel der Fig. 1C die Zwei-Modi-Fa ser 3) zusätzlich über einen piezoelektrischen Modulator 4 geführt. Mit Hilfe dieses Modulators 4 wird die Phasen differenz Φ(t) auf +(pi/2) oder -(pi/2) (modulo 2pi) ge regelt. Der Modulator 4 ist dazu Bestandteil eines aus den Detektoren 5a und 5b, einem Subtrahierer 7, einem Quadratur-Regler 8 und einer Rückkopplungsleitung 6 be stehenden Regelkreises, welcher die Differenzspannung

V = V₁₁-V₁₂ = V₀ acos Φ(t) (3)

entsprechend auf Null regelt.

Die beiden Anteile Asin Ωt und R(t) der Phasenverschiebung werden also durch den Modulator über eine entsprechende (entgegengesetzte) Längenänderung der Faser gerade ausge glichen. Die am Modulator 4 anliegende Spannung enthält dann einen langsam variierenden Anteil, der proportional zu R(t) ist, und einen periodischen Anteil, der propor tional zu Asin Ωt ist. Der gesuchte Anteil Asin Ωt wird über ein Hochpaßfilter 9 ausgefiltert und kann am Sig nalausgang 10 abgenommen werden. Das Ausgangssignal ist dadurch unabhängig von etwaigen Fluktuationen der La serintensität (d. h. V₀) und des Interferenzkontrastes a.

Neben dem Homodyn-Verfahren sind in der Literatur einige weitere Detektionsverfahren beschrieben worden, die den Vorteil haben, daß auf einen zusätzlichen Modulator im Bereich des Interferometers verzichtet werden kann, die aber dafür eine kompliziertere Sensorelektronik für die Signaldemodulation benötigen, die zudem oft eine geringe Genauigkeit aufweist. Beispiele dafür sind das syntheti sche Heterodyn-Verfahren (J. H. Cole et al., IEEE J.Quant.Electr. QE-18, S.694-697 (1982)), das Homodyn- Verfahren mit einem phasenmodulierten Trägersignal (A. Dandridge et al., IEEE J.Quant.Electr. QE-18, S. 1647-1653 (1982)), und Verfahren, bei denen auf optischem Wege zwei Interferometersignale erzeugt werden, die um 90° gegen einander phasenverschoben sind (S. K. Sheem et al., Appl.Opt. 21, S.689-693 (1982)).

In einer Reihe von praktischen Anwendungen des Sensors (z. B. bei der Spannungsmessung in Freiluftanlagen) können verhältnismäßig große Abstände zwischen dem eigentli chen Sensorkopf und der Sensorelektronik auftreten (10 m bis einige 100 m). Es ist unzweckmäßig, diese Abstände mit der Zwei-Modi-Faser selbst zu überbrücken, da sich der Einfluß externer Störungen (Temperaturschwankungen, mechanische Erschütterungen etc.) mit zunehmender Faser länge entsprechend vergrößert und das Signal/Rausch-Ver hältnis verschlechtert. Die Lichtzuführung von der Laser diode zum Interferometer und die Rückführung der Aus gangssignale des Interferometers sollten vielmehr über separate Glasfasern erfolgen, die nicht Bestandteil des Interferometers sind.

Bei dem oben beschriebenen Homodyn-Verfahren mit einem aktiven Phasen-Modulator wäre aber zusätzlich zu den Ver bindungs-Glasfasern auch noch eine elektrische Verbindung (die Rückkopplungsleitung 6) zwischen der Sensorelektro nik und dem Sensorkopf zur Ansteuerung des Modulators 4 erforderlich. Die Attraktivität eines mit diesem Interfe rometertyp arbeitenden Sensors wäre dadurch sehr be schränkt.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Sensor anzugeben, der sich durch einen einfachen Aufbau und hohe Genauigkeit und Störsi cherheit auszeichnet, und bei dem die eigentliche Meßfa ser ausschließlich über separate Glasfasern an die Lichtquelle und die Auswerteelektronik angekoppelt werden kann.

Die Aufgabe wird bei einem faseroptischen Sensor der ein gangs genannten Art dadurch gelöst, daß

d) die Faser eine Zwei-Modi-Faser ist, deren Parameter so gewählt sind, daß sich in ihr der LP₀₁-Grundmo dus und der gerade LP₁₁-Modus ausbreiten können;
e) vor dem Eingangsende der Zwei-Modi-Faser eine kohä rente Lichtquelle angeordnet ist, welche die beiden Modi der Zwei-Modi-Faser anregt; und
f) die Mittel zum Messen der feldbedingten Längenände rung der Faser optische Mittel zur Trennung der am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser auftretenden Nah- und Fernfeldsignale, Detektoren zum Umwandeln der Nah- und Fernfeldsignale in entsprechende elektri sche Signale, sowie elektronische Mittel zur Gewin nung der Längenänderungs-Information aus diesen um gewandelten Nah- und Fernfeldsignalen umfassen.

Der Kern der Erfindung besteht darin, anstelle der be kannten aktiven Signaldetektion, die einen zusätzlichen Modulator in der Meßfaser mit entsprechender elektri scher Zuleitung erfordert, eine passive Signaldetektion vorzusehen, die auf dem Guoy-Effekt (siehe dazu: S. Y. Huang et al., Springer Proc. in Physics, Vol.44 "Optical Fiber Sensors", S.38-43, Springer Verlag Berlin, Heidel berg (1989)), d. h. dem Phasenunterschied zwischen den In terferenzmustern des Nah- und Fernfeldes, beruht: Die Substrukturen des Nah- und Fernfeldes (insgesamt 4) wer den mit optischen Mitteln separiert und können über sepa rate Glasfasern zu einer entfernten Auswerteelektronik übertragen werden. Dort kann unter Verwendung von wenig stens drei dieser vier Substrukturen die gewünschte In formation über die Längenänderung der Meßfaser gewonnen werden.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Sen sors nach der Erfindung umfassen die die optischen Mittel zur Trennung der Nah- und Fernfeldsignale:

a) eine direkt am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser an geordnete erste Linse zur Kollimierung der aus der Zwei-Modi-Faser austretenden zwei Modi zu einem Parallelstrahl;
b) einen ersten, hinter der ersten Linse angeordneten Strahlteiler, welcher den Parallelstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltet;
c) eine zweite Linse mit einer nachgeordneten ersten Auskopplungsfaser, welche zweite Linse den ersten der beiden Teilstrahlen so fokussiert, daß die End fläche der Zwei-Modi-Faser auf das Eingangsende der ersten Auskopplungsfaser abgebildet wird; und
d) eine dritte Linse mit wenigstens einer nachgeordne ten zweiten Auskopplungsfaser, welche dritte Linse den zweiten Teilstrahl so bündelt, daß sich das Eingangsende der zweiten Auskopplungsfaser noch im optischen Fernfeld der Zwei-Modi-Faser befindet, das Licht aber bereits effizient in die zweite Aus kopplungsfaser eingekoppelt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß

a) die Zwei-Modi-Faser zusammen mit dem Sensorelement und den optische Mitteln zur Trennung der am Aus gangsende der Zwei-Modi-Faser auftretenden Nah- und Fernfeldsignale einen separaten Sensorkopf bildet;
b) die Lichtquelle, die Detektoren und die elektroni schen Mittel zur Gewinnung der Längenänderungs-In formation aus diesen Nah- und Fernfeldsignalen Teil einer separaten Sensorelektronik sind;
c) die Lichtquelle über eine polarisationserhaltende Ein-Modus-Faser mit dem Eingangsende der Zwei-Modi-Faser optisch verbunden ist; und
d) die Detektoren mit den optischen Mitteln durch sepa rate Glasfasern in Form von Multi-Modi-Fasern op tisch verbunden sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1A ein Beispiel für einen faseroptischen E-Feld-Sen sor mit Zwei-Modi-Faser;

Fig. 1B die Prinzipdarstellung der Interferenzmuster am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser (3) aus Fig. 1A;

Fig. 1C ein gegenüber Fig. 1A modifizierter E-Feld-Sen sor mit aktiver Signaldetektion;

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen faseroptischen Sensor nach der Erfindung;

Fig. 3A-C verschiedene Ausführungsformen für die opti schen Mittel (15) gemäß Fig. 2; und

Fig. 4A, B zwei bevorzugte Ausführungsformen für die elek tronischen Mittel (18) gemäß Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1A ist die bereits eingangs beschriebene Grund form eines faseroptischen Sensors mit einem Zwei-Modi- Faser-Interferometer dargestellt, wie sie den Ausgangs punkt für die Erfindung bildet. Zentraler Teil des Sen sors ist eine Zwei-Modi-Faser 3, die auf einer Teil strecke mit einem piezoelektrischen Sensorelement 2 fest verbunden ist. Am Eingangsende der Zwei-Modi-Faser 3 ist eine kohärente Lichtquelle 1 angeordnet, welche die bei den Modi LP₀₁ und LP₁₁ in der Faser anregt. Die beiden Modi erleiden beim Durchlaufen der Faser einen Phasenun terschied und interferieren entsprechend, so daß sich am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser 3 ein Interferenzmuster mit zwei Substrukturen bildet, welches sich in Abhängig keit von der Länge der Faser ändert und für 3 ausgewählte Phasenunterschiede in Fig. 1B wiedergegeben ist.

Die Intensitäten der beiden Substrukturen können im ein fachsten Fall mittels zweier Detektoren 5a, b (Photodioden) in entsprechende elektrische Signale umge wandelt und in einer nicht weiter dargestellten Auswerte elektronik ausgewertet werden, wobei allerdings Änderun gen im Arbeitspunkt nicht kompensiert werden können.

Derartige Kompensationen sind - wie ebenfalls eingangs erwähnt - mit dem mit Nachteilen behafteten Sensor-Aufbau nach Fig. 1C möglich, bei welchem die Zwei-Modi-Faser 3 zusätzlich an einem piezoelektrischen Modulator 4 fixiert ist, der die Anwendung des Homodyn-Verfahrens mit aktiver Signaldetektion ermöglicht.

Die Erfindung geht hier nun einen anderen Weg: Zwischen den Interferenzmustern im optischen Nahfeld (unmittelbar am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser) und den Interfe renzmustern im optischen Fernfeld (in einer Entfernung < 100 µm vom Ausgangsende) besteht aufgrund des erwähnten Guoy-Effekts ein Phasenunterschied von pi/2. Mittels ei ner optischen Anordnung, die es gestattet, die optischen Nah- und Fernfeldsignale zu trennen und über separate Glasfasern zu entfernten Detektoren zu führen, und mit tels einer elektronischen Anordnung zur Demodulation der Detektorsignale, um daraus ein zur Meßgröße proportio nales Ausgangssignal zu gewinnen, wird nun eine passive Signaldetektion realisiert, welche die Nachteile des Ho modyn-Verfahrens vermeidet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen solchen fa seroptischen Sensor nach der Erfindung ist in Fig. 2 wie dergegeben. Sensorelement 2 und Zwei-Modi-Faser 3 bilden zusammen mit optischen Mitteln 15 zur Trennung der am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser 3 auftretenden Nah- und Fernfeldsignale einen eigenständigen Sensorkopf 14, der ausschließlich durch separate Glasfasern (12, 16a, b, c) mit einer entfernt plazierten Sensorelektronik 11 poten tial-getrennt verbunden ist.

Die Sensorelektronik umfaßt die bereits bekannte kohä rente Lichtquelle 1 zur Anregung der Modi in der Zwei- Modi-Faser 3, eine Mehrzahl von Detektoren 17a, b, c zum Umwandeln der Nah- und Fernfeldsignale in entsprechende elektrische Signale, sowie nachgeschaltete elektronische Mittel 18 zur Gewinnung der Längenänderungs-Information aus diesen umgewandelten Nah- und Fernfeldsignalen. Das resultierende Nutzsignal steht wiederum am Signalausgang 10 zur Verfügung.

Die Lichtquelle 1 koppelt ihr (linear polarisiertes) Licht über eine polarisationserhaltende Ein-Modus-Faser 12 in das Eingangsende der Zwei-Modi-Faser 3 ein. Beide Fasern sind dabei über einen Spleiß 13 so zusammen gespleißt, daß LP₀₁-Grundmodus und gerader LP₁₁-Modus in etwa gleicher Intensität angeregt werden und die Pola risationsrichtung parallel zu einer der beiden Achsen des elliptischen Faserkerns der Zwei-Modi-Faser 3 liegt. Am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser 3 erfolgt durch die op tischen Mittel 15 die Aufspaltung in mehrere getrennte Signale I₁₁, I₂₁ und I₂₂, welche über separate Glasfasern (16a, b, c) den Detektoren 17a, b, c zugeführt werden Bevor auf die optischen Mittel 15 und die elektronischen Mittel 18 näher eingegangen wird, sollen zunächst noch einige Erläuterungen zum theoretischen Hintergrund gege ben werden: Der LP₀₁-Grundmodus und der LP₁₁-Modus der Zwei-Modi-Fa ser 3 können in sehr guter Näherung durch die Gauss′schen TEM₀₀- und TEM₁₀-Modi dargestellt werden. Diese beiden Modi haben nach Verlassen der Faser die Form

E_lm(x,y,z) = E_0lm(x,y,z)exp[-ik(x²+y²)/2R(z)-ikz+i(l+m+1)eta] (4)

Hierbei ist E_0lm(x,y,z) die Amplitude, x und y sind die Koordinatenrichtungen senkrecht und z ist die Koordinatenrichtung parallel zur Strahlausbreitungsrichtung (z = 0 entspricht der Position des Faserendes); k ist die Wellenzahl (k = 2pi/lambda, wobei lambda für die optische Wellenlänge steht). R(z) und eta(z) sind gegeben durch

R(z) = z(1 + z₀²/z²) (5)

eta(z) = tan^-1(z/z₀) (6)

mit

z₀ = (piΩ₀²n)/lambda (7)

n ist der Brechungsindex (n ≈ 1 in Luft), Ω₀ ist der laterale Abstand von der optischen Achse bei z = 0, bei welchem die Feldamplitude auf 1/e ihres Wertes auf der Achse gefallen ist.

Für Abstände z » z₀ vom Faserende geht eta(z) gegen pi/2. Die beiden Modi TEM₀₀ (l=0, m=0) und TEM₁₀(l=1, m=0) (bzw. die LP₀₁- und LP₁₁-Modi) erfahren also bei ihrer Ausbreitung vom optischen Nahfeld (z ≈ 0) ins optische Fernfeld (z » z₀) eine relative Phasenverschiebung von pi/2. Zwischen den Interferenzmustern der beiden Modi im Nah- und Fernfeld besteht damit ebenfalls ein Phasenunterschied von pi/2. Die Intensitäten in den Substrukturen der Interferenzmuster sind dann im Nahfeld

I₁₁ = (1/2)I₀(1 + acos Φ(t)) (8)

I₁₂ = (1/2)I₀(1 - acos Φ(t)) (9)

und im Fernfeld

I₂₁ = (1/2)I₀(1 + asin Φ(t)) (10)

I₂₂ = (1/2)I₀(1 - asin Φ(t)) (11)

wobei I₀ der gesamten Lichtintensität entspricht.

Ziel ist es, aus den Nah- und Fernfeld-Interferenzsigna len das gesuchte Signal Asin Ωt zu gewinnen. Um die dafür erforderlichen elektronischen Mittel 18 festlegen zu kön nen, entwickelt man die cos Φ- und sin Φ-Terme in den Glei chungen (8)-(11) nach Besselfunktionen. Dabei gilt

wobei die J₁ Besselfunktionen i-ter Ordnung sind. Die Gleichungen (8)-(11) lauten damit

I₁₁ = (1/2)I₀′(1+aJ₀) (A)cos R-2aJ₁(A)sin Ωt sin R+h.H.) (14)

I₁₂ = (1/2)I₀′(1-aJ₀) (A)cos R+2aJ₁(A)sin Ωt sin R+h.H.) (15)

I₂₁ = (1/2)I₀′(1+aJ₀) (A)sin R+2aJ₁(A)sin Ωt cos R+h.H.) (16)

I₂₂ = (1/2)I₀′(1-aJ₀) (A)sin R-2aJ₁(A)sin Ωt cos R+h.H.) (17)

(h.H. bedeutet dabei höhere Harmonische). Die Signalam plitude ist jetzt mit (1/2)I₀′, bezeichnet. Abhängig von der optischen Mitteln 15 ist I₀′ entweder (1/3)I₀ (wenn die optischen Mittel 15 die in Fig. 3A, 3C dargestellte Form haben) oder (1/2)I₀ (wenn die optischen Mittel 15 die in Fig. 3B dargestellte Form haben).

Nach der Umwandlung der optischen Signale (14)-(17) in elektrische Signale können die langsam variierenden Sig nalanteile von den Anteilen, die sin Ωt-Terme enthalten, mit Hilfe von elektronischen Filtern getrennt werden (die elektrischen Signale sind im Folgenden wie die entspre chenden optischen Signale I₁₁, I₁₂, I₂₁ und I₂₂ be zeichnet).

Die langsam variierenden Anteile lauten:

I₁₁^DC = (1/2)I₀′(1+aJ₀(A)cos R) (18)

I₁₂^DC = (1/2)I₀′(1-aJ₀(A)cos R) (19)

I₂₁^DC = (1/2)I₀′(1+aJ₀(A)sin R) (20)

I₂₂^DC = (1/2)I₀′(1-aJ₀(A)sin R) (21)

Die Anteile, die mit der Frequenz Ω variieren, lauten:

I₁₁^AC = -I₀′aJ₁(A)sin Ωt sin R (22)

I₁₂^AC = I₀′aJ₁(A)sin Ωt sin R (23)

I₂₁^AC = I₀′aJ₁(A)sin Ωt cos R (24)

I₂₂^AC = -I₀′aJ₁(A)sin Ωt cos R. (25)

Im Folgenden werden zwei Varianten angegeben, für die drei Eingangssignale ausreichend sind. Man wählt ge schickterweise das Trio I₁₁, I₂₁ und I₁₂, dem die ein fachste Form der optischen Mittel 15 gemäß Fig. 3B zu grunde liegt.

Je zwei DC- bzw. AC-Terme werden nun so verarbeitet, daß sich Terme ergeben, die proportional zur Summe von |cos R| und |sin R| sind. Dazu eleminiert man zunächst den Offset von (1/2)I₀′ der DC-Terme (18) und (20):

I₂₁^DC + I₂₂^DC = I₀′ (26)

I′₁₁^DC = I₁₁^DC - (1/2)I₀′ = (1/2)I₀′aJ₀(A)cos R (27)

I′₂₁^DC = I₂₁^DC - (1/2)I₀′ = (1/2)I₀′aJ₀(A)sin R (28)

Bei der ersten Variante (mit den elektronischen Mitteln 18 gemäß Fig. 4A) bildet man nun den Quotienten

d. h., man erhält ein Ausgangssignal, das unabhängig von Schwankungen der Lichtintensität I₀ und des Interferenz kontrastes a ist (die Betragsbildung |. . .| ist dabei er forderlich, um für R = 45°, 135°, . . . eine Division durch Null zu vermeiden).

Bei der zweiten Variante (mit den elektronischen Mitteln 18 gemäß Fig. 4B) bildet man den Ausdruck

Die Fig. 3A-3C zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für die optischen Mittel 15 aus Fig. 2, die es erlauben, die Nah- und Fernfeldsignale gemäß den Gleichungen (8)-(11) voneinander zu trennen und dann über separate Glas fasern zu den sich in einiger Entfernung befindlichen De tektoren 17a, b, c zu führen.

Im ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 3A werden alle vier Signale I₁₁, I₁₂, I₂₁ und I₂₂ gewonnen und mit vier Glasfasern (16a, b, c, d) den entsprechenden Detektoren zu geführt. Die beiden aus der Zwei-Modi-Faser 3 austreten den Modi werden mit einer ersten Selfoc-Linse 19a (mit einem Pitch von 0,25) zu einem Parallelstrahl kollimiert, dessen räumliche Intensitätsverteilung dem Fernfeld-In terferenzmuster entspricht (der entsprechende Strahlen gang 21 ist in den Fig. 3A-3C als gestrichelte Linie an gedeutet).

Der kollimierte Strahl wird mit Hilfe zweier hintereinan der angeordneter, würfelförmiger Strahlteiler 20a, b in drei Teilstrahlen aufgespalten. Zwei dieser Teilstrahlen werden mittels zweier weiterer 0,25-Pitch-Selfoc-Linsen 19b und 19c fokussiert. An den vom Strahlteiler 20b abge wandten Seiten der beiden Selfoc-Linsen 19b und 19c ent steht dann das Bild der Endfläche der Zwei-Modi-Faser 3 und folglich wieder das Nahfeld-Interferenzmuster.

Je eine der beiden Substrukturen dieses Nahfeld-Interfe renzmusters wird jeweils mit einem kurzen Stück einer Ein-Modus-Faser 22a bzw. 22b (die hier die Wirkung eines räumlichen Filters hat) herausgefiltert. Dabei ist zu be achten, daß zwei Substrukturen ausgefiltert werden, die relativ zueinander um 180° außer Phase sind, also den Signalen I₁₁ und I₁₂ entsprechen. Die ausgefilterten Nah feldsignale können dann mit Multi-Modi-Fasern 16a bzw. 16d die über entsprechende Spleiße 23a bzw. 23b an die Ein-Modi-Fasern 22a bzw. 22b angespleißt sind, zu den Detektoren übertragen werden. Die Verwendung von Multi-Mo di-Fasern bietet Kostenvorteile (z. B. kostengünstige Fa sersteckverbindungen); prinzipiell können anstelle der beiden kurzen Ein-Modus-Fasern 22a, b aber auch lange Ein- Modus-Fasern verwendet werden, welche die I₁₁ und I₁₂ Signale über die gesamte Distanz bis zu den Detektoren übertragen und damit die Multi-Modi-Fasern 16a und 16d ersetzen.

Im dritten Teilstrahl befindet sich eine weitere Selfoc-Linse 19d mit einem Pitch kleiner 0,25 (der Fokus liegt also in einigem Abstand außerhalb der Linse). Die Sel foc-Linse 19d bündelt den Strahl auf zwei unmittelbar ne beneinander liegende Multi-Modi-Fasern 16b und 16c. Die Linsenlänge (bzw. der Pitch der Linse) ist so gewählt, daß

(i) sich die vom Strahlteiler 20a abgewandte Endflä che der Linse noch im optischen Fernfeld befindet und
(ii) der Strahl aber bereits soweit gebündelt ist, daß das Licht effizient in die beiden Multi-Modi-Fasern 16b, c eingekoppelt wird.

Die Multi-Modi-Fasern 16b, c sind dabei so angeordnet, daß sie jeweils eine der beiden Substruk turen des Fernfeld-Interferenzmusters erfassen. Vorzugs weise wählt man Multi-Modi-Fasern mit einem relativ großen Kerndurchmesser und kleiner Dicke des Fasermantels (z. B. Hard Cladded Silica (HCS) Fasern mit einem 200 µm dicken Quarzglaskern und einem 15 µm dicken Hartplastik-Man tel; bei genügend großem Kerndurchmesser kann auf die Selfoc-Linse 19d sogar ganz verzichtet werden). Die bei den Multi-Modi-Fasern führen somit die Signale I₂₁ und I₂₂ und übertragen sie zu einem zweiten Detektorpaar.

Wie aus den Gleichungen (18) bis (28) abzulesen ist, sind für die weiter unten beschriebene Auswertung mit Hilfe der elektronischen Mittel 18 drei Signale aus dem Quar tett I₁₁, I₁₂, I₂₁ und I₂₂ ausreichend, wobei es zunächst prinzipiell gleichgültig ist, welches Trio ausgewählt wird.

Mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3B, auf welches sich auch die Anordnung nach Fig. 2 bezieht, werden die beiden Fernfeldsignale I₂₁ und I₂₂ und ein Nahfeldsignal I₁₁ (oder I₁₂) gewonnen. Der Aufbau ist mit dem aus Fig. 3A identisch mit Ausnahme des nicht mehr erforderlichen zweiten Strahlteilers 20b und des fehlenden zweiten Nah feldzweiges. Es ergibt sich so eine besonders einfache Konfiguration.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3C schließlich werden die Signale I₁₁, I₁₂ und eines der beiden Fernfeldsignale (im gezeigten Fall I₂₁) extrahiert. Zu beachten ist dabei allerdings die gegenüber dem Beispiel aus Fig. 3B größere Komplexität der Anordnung.

Das Teilerverhältnis der Strahlteiler 20a und 20b wird vorzugsweise so gewählt, daß alle Signale die gleiche Amplitude haben. In Fig. 3A und 3C muß der erste Strahl teiler 20a das Teilerverhältnis (Reflexion:Transmission) von (1/3) (2/3) haben, der zweite Strahlteiler 20b das Verhältnis (1/2) : (1/2). Die Signalamplituden sind dann (1/6)I₀ (bei Vernachlässigung aller Verluste). In Fig. 3B ist das Teilerverhältnis des einzigen Strahlteilers 20a (1/2) : (1/2), und die Signalamplituden sind (1/4)I₀ (siehe oben).

Sind - wie in Fig. 2 und Fig. 3B dargestellt - die opti schen Mittel 15 so ausgebildet, daß an ihren Ausgängen die Signale I₁₁, I₂₁ und I₂₂ zur Verfügung stehen und mittels der Detektoren 17a, b, c in entsprechende elektri sche Signale umgewandelt werden, können zur Auswertung gemäß den Gleichungen (18)-(30) beispielsweise elek tronische Mittel 18 von der Form eingesetzt werden, wie sie für die beiden Varianten in den Blockschaltbildern der Fig. 4A und 4B wiedergegeben sind.

Die Schaltung nach Fig. 4A umfaßt zwei Bandpaßfilter 24a, b, drei Tiefpaßfilter 25a, b, c, vier Absolutwertbild ner 28a, b, c, d und einen Abschwächer 30 (Abschwächungsfaktor: 0,5) mit jeweils einem Ein- und Ausgang, sowie zwei Subtrahierer 26a, b, drei Addierer 29a, b, c und einen Dividierer 27 mit jeweils zwei Eingän gen und einem Ausgang. Die Tiefpaßfilter 25a, b, c haben z. B. eine Grenzfrequenz von 10 Hz und lassen damit die langsam variierenden Signale passieren. Die Bandpaßfil ter 24a, b lassen die Signalanteile, die mit der Frequenz Ω variieren, passieren. Höhere Harmonische dagegen werden blockiert. Von gewissem Nachteil ist in diesem Fall die durch die Bandpaßfilter 24a, b eingeschränkte Bandbreite. Für ausreichend kleine Amplituden der optischen Phasen verschiebung sind die höheren Harmonischen jedoch klein genug, daß sie für manche Anwendungen noch toleriert werden können. Für A = 0,1 rad z. B. ist J₂(A) = 0,025 J₁(A); für A = 0,05 rad ist J₂(A) = 0,012 J₁(A). Anstelle der Bandpaßfilter 24a, b können dann Hochpaßfilter ver wendet werden, so daß die besagte Einschränkung der Bandbreite nicht auftritt.

Die Signale I₁₁ und I₂₁ gelangen einerseits über das er ste und zweite Bandpaßfilter 24a bzw. 24b und den nach geschalteten ersten und zweiten Absolutwertbildner 28a bzw. 28b auf die beiden Eingänge des zweiten Addierers 29b. Es entsteht der Ausdruck im Zähler des Bruches aus Gleichung (29), welcher anschließend auf den ersten Ein gang des Dividierers 27 gegeben wird.

Die Signale I₁₁ und I₂₁ gelangen andererseits über das erste und zweite Tiefpaßfilter 25a bzw. 25b jeweils auf den ersten Eingang des ersten bzw. zweiten Subtrahierers 26a bzw. 26b. Dort werden gemäß Gleichungen (27) und (28) jeweils die Differenzen mit dem Ausdruck (1/2)I₀ gebildet. Dieser Ausdruck seinerseits wird gemäß Glei chung (26) aus den Signalen I₂₁ und I₂₂ durch Filterung im zweiten und dritten Tiefpaßfilter 25b bzw. 25c, nach folgende Addition im ersten Addierer 29a und anschließende Multiplikation mit dem Faktor 1/2 im Abschwächer 30 erzeugt.

Die Differenzen (27) und (28) werden schließlich im dritten und vierten Absolutwertbildner 28c bzw. 28d in ihre Absolutwerte umgewandelt, im dritten Addierer 29c addiert und bilden dann am zweiten Eingang des Dividie rers 27 den Nenner des Bruches aus (29). Entsprechend er scheint am Ausgang des Dividierers 27 bzw. am Signalaus gang 10 das gewünschte Nutzsignal A |sin Ωt|.

Die Schaltung nach Fig. 4B unterscheidet sich von der aus Fig. 4A neben einer anderen Verschaltung durch folgende Änderungen bei den Funktionsblöcken: Anstelle des einen Abschwächers 30 werden nun zwei Abschwächer (mit Faktor 0,5) eingesetzt, die Absolutwertbilder 28a, b, c, d sind durch Quadrierer 32a, b, c, d ersetzt, und hinter den Aus gang des Dividierers 27 ist ein Radizierer 31 angeordnet, welcher aus dem Ausgangssignal des Dividierers 27 die Wurzel zieht.

Die beiden Bandpaßfilter 24a, b, die beiden ersten Qua drierer 32a, b und der zweite Addierer 29b bilden - ähn lich wie in Fig. 4A - aus den Signalen I₁₁ und I₂₁ den Zähler des Bruches gemäß Gleichung (30). Der zweite Teil des Nenners (I′₁₁ ^DC) wird wie in der Schaltung nach Fig. 4A erzeugt und anschließend im dritten Quadrierer 32c quadriert. Der erste Teil des Nenners ergibt sich durch Differenzbildung der DC-Anteile von I₂₁ und I₂₂ im zwei ten Subtrahierer 26b, nachfolgende Abschwächung um den Faktor 1/2 im ersten Abschwächer 30a und abschließende Quadratur im vierten Quadrierer 32d. Aus dem im Dividie rer 27 gebildeten Bruch wird mittels des Radizierers 31 die Wurzel gezogen.

Claims

1. Faseroptischer Sensor für elektrische Wechselfelder bzw. -spannungen, umfassend

a) ein piezoelektrisches Sensorelement (2);
b) eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, welche optische Faser zumindest teil weise an dem Sensorelement (2) so fixiert ist, daß eine Dimensionsänderung des Sensorelements (2) in einem elektrischen Feld zu einer Längenänderung in der Faser führt; und
c) Mittel zum Messen der feldbedingten Längenänderung der Faser;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Faser eine Zwei-Modi-Faser (3) ist, deren Para meter so gewählt sind, daß sich in ihr der LP₀₁ Grundmodus und der gerade LP₁₁-Modus ausbreiten kön nen;
e) vor dem Eingangsende der Zwei-Modi-Faser (3) eine kohärente Lichtquelle (1) angeordnet ist, welche die beiden Modi der Zwei-Modi-Faser (3) anregt; und
f) die Mittel zum Messen der feldbedingten Längenände rung der Faser optische Mittel (15) zur Trennung der am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser (3) auftreten den Nah- und Fernfeldsignale, Detektoren (17a, b, c) zum Umwandeln der Nah- und Fernfeldsignale in ent sprechende elektrische Signale, sowie elektronische Mittel (18) zur Gewinnung der Längenänderungs-Infor mation aus diesen umgewandelten Nah- und Fernfeldsignalen umfassen.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Mittel (15) von den zwei Substrukturen des Nahfeld-Interferenzmusters und den zwei Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmusters insgesamt zumindest drei Substrukturen optisch voneinander trennen und für die Auswertung über separate Glasfasern den De tektoren (17a, b, c) zuführen.

3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Mittel (15) zur Trennung der Nah- und Fernfeldsignale umfassen:

a) eine direkt am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser (3) angeordnete erste Linse zur Kollimierung der aus der Zwei-Modi-Faser (3) austretenden zwei Modi zu ei nem Parallelstrahl;
b) einen ersten, hinter der ersten Linse angeordneten Strahlteiler (20a), welcher den Parallelstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltet;
c) eine zweite Linse mit einer nachgeordneten ersten Auskopplungsfaser, welche zweite Linse den ersten der beiden Teilstrahlen so fokussiert, daß die End fläche der Zwei-Modi-Faser (3) auf das Eingangsende der ersten Auskopplungsfaser abgebildet wird; und
d) eine dritte Linse mit wenigstens einer nachgeordne ten zweiten Auskopplungsfaser, welche dritte Linse den zweiten Teilstrahl so bündelt, daß sich das Eingangsende der zweiten Auskopplungsfaser noch im optischen Fernfeld der Zwei-Modi-Faser (3) befin det, das Licht aber bereits effizient in die zweite Auskopplungsfaser eingekoppelt wird.

4. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) zwischen dem ersten Strahlteiler (20a) und der zwei ten Linse ein zweiter Strahlteiler (20b) angeordnet ist, welcher zweite Strahlteiler (20b) einen dritten Teilstrahl erzeugt; und
b) eine vierte Linse mit einer nachgeordneten dritten Auskopplungsfaser vorgesehen ist, welche vierte Linse den dritten Teilstrahl so fokussiert, daß die Endfläche der Zwei-Modi-Faser (3) auf das Ein gangsende der dritten Auskopplungsfaser abgebildet wird.

5. Faseroptischer Sensor nach einem der beiden Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der dritten Linse neben der zweiten Auskopplungsfaser eine vierte, zur zweiten Auskopplungsfaser gleichartige Auskopplungs faser angeordnet ist, derart, daß in die beiden Auskopp lungsfasern jeweils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmusters der Zwei-Modi-Faser (3) ein gekoppelt wird.

6. Faseroptischer Sensor nach einem der beiden Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Auskopplungsfaser jeweils Ein-Modus-Fasern (22a, b) sind, welche als räumliche Filter wirken und jeweils eine der beiden Substrukturen des Nahfeld-Interferenzmusters der Zwei-Modi-Faser (3) herausfiltern.

7. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite und ggf. die vierte Linse jeweils eine Selfoc-Linse (19a, b, c) mit einem Pitch von 0,25 und die dritte Linse eine Sel foc-Linse (19d) mit einem Pitch kleiner 0,25 ist.

8. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und ggf. die vierte Auskopplungsfaser jeweils eine Multi-Modi-Faser (16b, c) ist.

9. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) die elektronischen Mittel (18) zur Gewinnung der Längenänderungs-Information zwei Bandpaßfilter (24a, b), drei Tiefpaßfilter (25a, b, c), vier Abso lutwertbildner (28a, b, c, d) und einen Abschwächer (30) mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang, sowie zwei Subtrahierer (26a, b), drei Addierer (29a, b, c) und einen Dividierer (27) mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang umfassen; wobei
b) die Ausgänge der beiden Bandpaßfilter (24a, b) je weils über einen ersten bzw. zweiten Absolutwert bildner (28a bzw. 28b) mit einem Eingang des zweiten Addierers (29b), der Ausgang des ersten Tiefpaßfil ters (25a) mit dem ersten Eingang des ersten Subtra hierers (26a), der Ausgang des zweiten Tiefpaßfil ters (25b) mit dem ersten Eingang des zweiten Sub trahierers (26b) und dem ersten Eingang des ersten Addierers (29a), und der Ausgang des dritten Tief paßfilters (25c) mit dem zweiten Eingang des ersten Addierers (29a) verbunden sind;
c) der Ausgang des ersten Addierers (29a) über den Ab schwächer (30) jeweils mit dem zweiten Eingang des ersten und zweiten Subtrahierers (26a bzw. 26b), die Ausgänge der beiden Subtrahierer (26a, b) jeweils über einen dritten bzw. vierten Absolutwertbildner (28c bzw. 28d) mit einem Eingang des dritten Addie rers (29c), die Ausgänge des zweiten und dritten Ad dierers (29b bzw. 29c) jeweils mit einem Eingang des Dividierers (27), und der Ausgang des Dividierers mit einem Signalsausgang (10) für das Nutzsignal verbunden sind; und
d) die Eingänge der Bandpaßfilter (24a, b) und Tief paßfilter (25a, b, c) mit den Detektoren (17a, b, c) verbunden sind.

10. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die elektronischen Mittel (18) zur Gewinnung der Längenänderungs-Information zwei Bandpaßfilter (24a, b), drei Tiefpaßfilter (25a, b, c), vier Qua drierer (32a, b, c, d), zwei Abschwächer (30a, b) und einen Radizierer (31) mit jeweils einem Ein- und ei nem Ausgang, sowie zwei Subtrahierer (26a, b), drei Addierer (29a, b, c) und einen Dividierer (27) mit je weils zwei Eingängen und einem Ausgang umfassen; wo bei
b) die Ausgänge der beiden Bandpaßfilter (24a, b) je weils über einen ersten bzw. zweiten Quadierer (32a bzw. 32b) mit einem Eingang des zweiten Addierers (29b), der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters (25a) mit dem ersten Eingang des ersten Subtrahierers (26a), der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters (25b) mit dem ersten Eingang des zweiten Subtrahierers (26b) und dem ersten Eingang des ersten Addierers (29a), und der Ausgang des dritten Tiefpaßfilters (25c) mit dem zweiten Eingang des zweiten Subtrahie rers (26b) und dem zweiten Eingang des ersten Addie rers (29a) verbunden sind;
c) der Ausgang des ersten Addierers (29a) über den zweiten Abschwächer (30b) mit dem zweiten Eingang des ersten Subtrahierers (26a), der Ausgang des zweiten Subtrahierers (26b) über den ersten Abschwä cher (30a) und den vierten Quadrierer (32d) mit dem zweiten Eingang des dritten Addierers (29c), der Ausgang des ersten Subtrahierers (26a) über den dritten Quadrierer (32c) mit dem ersten Eingang des dritten Addierers (29c), die Ausgänge des zweiten und dritten Addierers (29b bzw. 29c) jeweils mit ei nem Eingang des Dividierers (27), und der Ausgang des Dividierers über den Radizierer (31) mit einem Signalsausgang (10) für das Nutzsignal verbunden sind; und
d) die Eingänge der Bandpaßfilter (24a, b) und Tief paßfilter (25a, b, c) mit den Detektoren (17a, b, c) verbunden sind.

11. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge gekennzeichnet, daß

a) die Zwei-Modi-Faser (3) zusammen mit dem Sensorele ment (2) und den optische Mitteln (15) zur Trennung der am Ausgangsende der Zwei-Modi-Faser (3) auftre tenden Nah- und Fernfeldsignale einen separaten Sen sorkopf (14) bildet;
b) die kohärente Lichtquelle (1), die Detektoren (17a, b, c) und die elektronischen Mittel (18) zur Ge winnung der Längenänderungs-Information aus diesen Nah- und Fernfeldsignalen Teil einer separaten Sen sorelektronik (11) sind;
c) die kohärente Lichtquelle (1) über eine polarisati onserhaltende Ein-Modus-Faser (12) mit dem Ein gangsende der Zwei-Modi-Faser (3) optisch verbunden ist; und
d) die Detektoren (17a, b, c) mit den optischen Mitteln (15) durch separate Glasfasern in Form von Multi-Mo di-Fasern (16a, b, c) optisch verbunden sind.

12. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch ge gekennzeichnet, daß ein Teil der Multi-Modi-Fasern (16a, b, c, d) vollständig durch Ein-Modus-Fasern ersetzt ist.