DE4115370A1 - Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector - Google Patents

Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector

Info

Publication number
DE4115370A1
DE4115370A1 DE19914115370 DE4115370A DE4115370A1 DE 4115370 A1 DE4115370 A1 DE 4115370A1 DE 19914115370 DE19914115370 DE 19914115370 DE 4115370 A DE4115370 A DE 4115370A DE 4115370 A1 DE4115370 A1 DE 4115370A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fiber
output
input
lens
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19914115370
Other languages
German (de)
Inventor
Klaus Dr Bohnert
Mathias Dr Fauth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Schweiz Holding AG
ABB AB
Original Assignee
Asea Brown Boveri AG Switzerland
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asea Brown Boveri AG Switzerland, Asea Brown Boveri AB filed Critical Asea Brown Boveri AG Switzerland
Priority to DE19914115370 priority Critical patent/DE4115370A1/en
Priority to CH137092A priority patent/CH683471A5/en
Publication of DE4115370A1 publication Critical patent/DE4115370A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption

Abstract

The fibre optic sensor contains a piezoelectric sensor element (29), an optical fibre (30) at least partially attached to the sensor element and an arrangement for measuring the field dependent length variations of the fibre contg. optics (31), electronics (34) and detectors (33a-33d). The two-mode fibre propagates the LP01 and LP11 modes. A coherent light source of controllable wavelength arranged at the fibre's input end provides light in both modes. The interference pattern at the end of the fibre is divided into optical near and far field signals which are converted into corresp. electrical signals from which length change information and a wavelength control signal are derived. ADVANTAGE - Has large usable bandwidth, simple design and high accuracy and reliability.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Faseroptik. Sie betrifft insbesondere einen faseroptischer Sensor für elektrische Wechselfelder bzw. -Spannungen, umfassendThe invention relates to the field of fiber optics. It relates in particular to a fiber optic sensor for electrical alternating fields or voltages, comprehensive

  • a) ein piezoelektrisches Sensorelement;a) a piezoelectric sensor element;
  • 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; undb) an optical fiber with an input end and a Output end, which optical fiber at least partially is fixed to the sensor element so that a Dimensional change of the sensor element in an elec field to a change in length in the fiber leads; and
  • c) Mittel zum Messen der feldbedingten Längenänderung der Faser.c) means for measuring the field-related change in length the fiber.

Ein solcher faseroptischer Sensor ist z. B. aus der EP-A1-03 16 619 bekannt.Such a fiber optic sensor is e.g. B. from the EP-A1-03 16 619 known.

Stand der TechnikState of the art

In verschiedenen Druckschriften wie z. B. den Europäischen Patentanmeldungen EP-A1-03 16 619 und EP-A1-03 16 635 oder den Artikeln von K. 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.In various publications such. B. the European Patent applications EP-A1-03 16 619 and EP-A1-03 16 635 or the articles by K. Bohnert and J. Nehring in Appl. Opt. 27, pp. 4814-4818 (1988), or Opt. Lett. 14, Pp. 290-292 (1989), are already fiber optic sensors  Measurement of electrical fields and voltages described been used.

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.The measuring principle used is based on the inverse Piezo effect in materials with selected crystal sym metry. The temporally periodic dimensional change, the a corresponding piezoelectric body in an elec experiences alternating field, is on one on the body fixed fiber transmitted. The change in length of the company ser is then proportional to the field or voltage ampli tude and is measured and evaluated interferometrically.

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-Moden-Faser-Interferometer von be­ sonderem Interesse. Die Parameter der Sensorfaser sind bei diesem Interferometer so gewählt, daß sich in der Faser genau zwei Moden (der LP01-Grundmodus und der ge­ rade LP11-Modus) ausbreiten können.Different types of glass fiber interferometers can be used for interferometric measurements. Because of its simplicity, one of these types is that of the article by BY Kim et al., Opt. Lett. 12, pp. 729-731 (1987), known two-mode fiber interferometer of particular interest. The parameters of the sensor fiber are selected in this interferometer so that exactly two modes (the LP 01 basic mode and the straight LP 11 mode) can propagate in the fiber.

Wie in Fig. 1A am Prinzip eines faseroptischen Feldsen­ sors dargestellt, wird beim Zwei-Moden-Faser-Interferome­ ter Licht aus einer kohärenten Lichtquelle 1, z. B. einem Laser, durch eine Zwei-Moden-Faser 3 geschickt, welche an einem piezoelektrischen Sensorelement 2 für das elektri­ sche Feld E fixiert ist. Am Faserende kann man dann ein Interferenzmuster beobachten, welches sich aus der Über­ lagerung dieser beiden Moden ergibt. Eine Längenänderung der Faser führt zu einer differentiellen Phasenverschie­ bung zwischen beiden Moden, die sich in einer entspre­ chenden Änderung des Interferenzmusters äußert. Fig. 1B zeigt solche Interferenzmuster für drei charakteristische Phasenunterschiede n2pi, (2n+1)(pi/2) und (2n+1)pi. As shown in Fig. 1A on the principle of a fiber optic field sensor, the two-mode fiber interferome ter light from a coherent light source 1 , z. B. a laser, sent through a two-mode fiber 3 which is fixed to a piezoelectric sensor element 2 for the electrical field E. At the end of the fiber you can then observe an interference pattern which results from the superimposition of these two modes. A change in length of the fiber leads to a differential phase shift between the two modes, which manifests itself in a corresponding change in the interference pattern. FIG. 1B shows such interference patterns for three characteristic phase differences n2pi, (2n + 1) pi (pi / 2) and (2n + 1).

Die beiden nebeneinanderliegenden Substrukturen des In­ terferenzmusters (in Fig. 1B auf der rechten Seite des Pfeils durch Halbellipsen angedeutet) werden mit zwei De­ tektoren 4a und 4b (z. B. in Form von Photodioden) detek­ tiert. An deren Ausgang liegen zwei um 180° phasenver­ schobene Signale V11 und V12 vor:The two adjacent substructures of the interference pattern (indicated in FIG. 1B on the right side of the arrow by semi-ellipses) are detected with two detectors 4 a and 4 b (for example in the form of photodiodes). At the output there are two signals V 11 and V 12 shifted by 180 °:

V₁₁ = (1/2)V₀(1+acosΦ(t)) (1)V₁₁ = (1/2) V₀ (1 + acosΦ (t)) (1)

V₁₂ = (1/2)V₀(1-acosΦ(t)) (2)V₁₂ = (1/2) V₀ (1-acosΦ (t)) (2)

mit Φ(t) = AsinΩt + R(t). Die Phasenverschiebung Φ(t) zwischen den beiden Moden setzt sich also zusammen aus einem durch das zu messende Wechselfeld hervorgerufenen zeitlich periodischen Anteil AsinΩt (A ist dabei propor­ tional zur Amplitude des Feldes) und einem willkürlichen Phasenterm R(t), der sich z. B. infolge von temperaturbe­ dingten Fluktuationen der Faserlänge ebenfalls zeitlich ändern kann. V0 schließlich ist proportional zur opti­ schen Leistung und a ist ein Maß für den Interferenzkon­ trast.with Φ (t) = AsinΩt + R (t). The phase shift Φ (t) between the two modes is thus composed of a temporally periodic component AsinΩt (A is proportional to the amplitude of the field) caused by the alternating field to be measured and an arbitrary phase term R (t), which is z. B. can also change over time due to temperature-related fluctuations in fiber length. Finally, V 0 is proportional to the optical power and a is a measure of the interference contrast.

Der gesuchte Term A.sinΩt wird häufig mit einem Homodyn-Detek­ tionsverfahren aus den Ausgangssignalen der Detekto­ ren 4a und 4b gewonnen (für einen faseroptischen Sensor mit Ein-Moden-Faser siehe dazu: D. A. Jackson et al., Appl. Opt. 19, S. 2926-2929 (1980); ein entsprechender fa­ seroptischer Sensor mit Zwei-Moden-Faser ist in der älte­ ren Europäischen Anmeldung Nr. 9 01 23 660.4 beschrieben). Bei diesem Verfahren wird die Sensorfaser zusätzlich über einen piezoelektrischen Modulator geführt. Mit Hilfe die­ ses Modulators wird die Phasendifferenz Φ(t) auf +(pi/2) oder -(pi/2) (modulo 2pi) geregelt.The searched term A.sinΩt is often obtained with a homodyne detection method from the output signals of detectors 4 a and 4 b (for a fiber-optic sensor with single-mode fiber see: DA Jackson et al., Appl. Opt. 19, pp. 2926-2929 (1980); a corresponding fiber optic sensor with two-mode fiber is described in the older European application No. 9 01 23 660.4). In this method, the sensor fiber is additionally passed through a piezoelectric modulator. With the help of this modulator, the phase difference Φ (t) is regulated to + (pi / 2) or - (pi / 2) (modulo 2pi).

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 gerin­ gere Genauigkeit aufweist. Beispiele dafür sind das syn­ thetische Heterodyn-Verfahren (J. H. Cole et al., IEEE J. Quant. Electr. QE-18, S. 694-697 (1982)), das Homodyn-Ver­ fahren 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 addition to the homodyne method, there are some in the literature other detection methods have been described that the  Have the advantage that an additional modulator in Range of the interferometer can be dispensed with but a more complicated sensor electronics for that Signal demodulation, which also often require a little accuracy. Examples of this are the syn synthetic heterodyne methods (J.H. Cole et al., IEEE J. Quant. Electr. QE-18, pp. 694-697 (1982)), the homodyne ver drive with a phase-modulated carrier signal (A. Dandridge et al., IEEE J. Quant. Electr. QE-18, pp. 1647-1653 (1982)), and methods in which two Interferometer signals are generated that are 90 ° against are out of phase with each other (S.K. Sheem et al., Appl. Opt. 21, pp. 689-693 (1982)).

In einer Reihe von praktischen Anwendungen des Sensors (z. B. bei der Spannungsmessung in Freiluftanlagen) können verhältnismäßig große Abstände (10 m bis einige 100 m) zwischen dem eigentlichen Sensorkopf und der Sensorelek­ tronik auftreten. Es ist unzweckmäßig, diese Abstände mit der Zwei-Moden-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.In a number of practical applications of the sensor (e.g. when measuring voltage in outdoor systems) relatively large distances (10 m to several 100 m) between the actual sensor head and the sensor electronics tronics occur. It is inappropriate to use these gaps to bridge itself with the two-mode fiber because the influence of external disturbances (temperature fluctuations, mechanical shocks etc.) with increasing fiber length increased accordingly and the signal / noise Ver ratio worsened. The light supply from the laser diode to the interferometer and the feedback of the off Rather, the interferometer's output signals should be about separate glass fibers are made that are not part of the Are interferometers.

Bei dem oben beschriebenen Homodyn-Verfahren mit einem aktiven Phasen-Modulator wäre aber zusätzlich zu den Ver­ bindungs-Glasfasern auch noch eine elektrische Verbindung zwischen der Sensorelektronik und dem Sensorkopf zur An­ steuerung des Modulators erforderlich. Die Attraktivität eines mit diesem Interferometertyp arbeitenden Sensors wäre dadurch sehr beschränkt. In the homodyne method described above with a active phase modulator would be in addition to the ver binding glass fibers also an electrical connection between the sensor electronics and the sensor head control of the modulator required. The attractiveness of a sensor working with this type of interferometer would be very limited.  

Es ist deshalb in einer älteren deutschen Patentanmeldung derselben Erfinder bereits vorgeschlagen worden, bei ei­ nem faseroptischen Sensor anstelle der bekannten aktiven Signaldetektion, die einen zusätzlichen Modulator in der Meßfaser mit entsprechender elektrischer Zuleitung er­ fordert, eine passive Signaldetektion vorzusehen. Die passive Signaldetektion beruht 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, Heidelberg (1989)), d. h. dem Phasenunterschied zwischen den Interferenzmustern des Nah- und Fernfeldes: Die Substrukturen des Nah- und Fernfeldes (insgesamt 4) werden optisch separiert und können über separate Glasfa­ sern zu einer entfernten Auswerteelektronik übertragen werden. Dort kann unter Verwendung von wenigstens drei dieser vier Substrukturen die gewünschte Information über die Längenänderung der Meßfaser gewonnen werden.It is therefore in an older German patent application the same inventors have already been proposed at ei nem fiber optic sensor instead of the known active Signal detection using an additional modulator in the Measuring fiber with appropriate electrical supply requests to provide passive signal detection. The passive signal detection is based on the Guoy effect (see in addition: S. Y. Huang et al., Springer Proc. in Physics, Vol. 44 "Optical Fiber Sensors", pp. 38-43, Springer Verlag Berlin, Heidelberg (1989)), d. H. the phase difference between the interference patterns of the near and far fields: The substructures of the near and far field (4 in total) are optically separated and can be separated using a glass transmit to a remote evaluation electronics will. There you can use at least three of these four substructures the desired information about the change in length of the measuring fiber can be obtained.

Ein Beispiel für einen solchen faseroptischen Sensor mit passiver Signaldetektion aus der genannten älteren Anmel­ dung ist in Figur 2 wiedergegeben. Sensorelement 2 und Zwei-Moden-Faser 3 bilden zusammen mit optischen Mitteln 14 zur Trennung der am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 3 auftretenden Nah- und Fernfeldsignale (I11, I12, I21, I22) einen eigenständigen Sensorkopf 9, der ausschließlich durch separate Glasfasern (7, 13a, b, c) mit einer entfernt plazierten Sensorelektronik 6 potential-getrennt verbun­ den ist.An example of such a fiber optic sensor with passive signal detection from the earlier application mentioned is shown in FIG. Sensor element 2 and two-mode fiber 3, together with optical means 14 to the separation at the output end of the double-mode fiber 3 local occurring and far-field signals (I 11, I 12, I 21, I 22) a separate sensor head 9 which is exclusively isolated by separate glass fibers ( 7 , 13 a, b, c) with remote sensor electronics 6 .

Die Sensorelektronik 6 umfaßt als kohärente Lichtquelle eine Laserdiode 5 zur Anregung der Moden in der Zwei-Mo­ den-Faser 3, eine Mehrzahl von Detektoren 12a, b, c zum Um­ wandeln der Nah- und Fernfeldsignale I11, I21, I22 in entsprechende elektrische Signale, sowie nachgeschaltete elektronische Mittel 11 zur Gewinnung der Längenände­ rungs-Information aus diesen umgewandelten Nah- und Fern­ feldsignalen. Das resultierende Nutzsignal steht am Sig­ nalausgang 10 zur Verfügung.The sensor electronics 6 comprises as a coherent light source a laser diode 5 for exciting the modes in the two-mode fiber 3 , a plurality of detectors 12 a, b, c to convert the near and far field signals I 11 , I 21 , I 22nd in corresponding electrical signals, as well as downstream electronic means 11 for obtaining the length change information from these converted near and far field signals. The resulting useful signal is available at signal output 10 .

Die Laserdiode 5 koppelt ihr (linear polarisiertes) Licht über eine polarisationserhaltende Ein-Moden-Faser 7 in das Eingangsende der Zwei-Moden-Faser 3 ein. Beide Fasern sind dabei über einen Spleiß 8 so zusammengespleißt, daß LP01-Grundmodus und gerader LP11-Modus in etwa glei­ cher Intensität angeregt werden und die Polarisations­ richtung parallel zu einer der beiden Achsen des ellipti­ schen Faserkerns der Zwei-Moden-Faser 3 liegt. Am Aus­ gangsende der Zwei-Moden-Faser 3 erfolgt durch die opti­ schen Mittel 14 die Aufspaltung in mehrere getrennte op­ tische Signale I11, I21 und I22, welche über separate Glasfasern (Multimoden-Fasern 13a, b, c) den Detektoren 12a, b, c zugeführt, dort in entsprechende elektrische Sig­ nale I11, I21 und I22 umgewandelt und schließlich durch die elektronischen Mittel 11 ausgewertet werden.The laser diode 5 couples its (linearly polarized) light via a polarization-maintaining single-mode fiber 7 into the input end of the two-mode fiber 3 . Both fibers are spliced together via a splice 8 so that LP 01 basic mode and straight LP 11 mode are excited in approximately the same intensity and the polarization direction parallel to one of the two axes of the elliptical fiber core of the two-mode fiber 3 lies. At the output end of the two-mode fiber 3 is split by the optical rule's 14 into several separate optical signals I 11 , I 21 and I 22 , which the detectors via separate glass fibers (multimode fibers 13a, b, c) 12 a, b, c supplied, there converted into corresponding electrical signals I 11 , I 21 and I 22 and finally evaluated by the electronic means 11 .

Eine mögliche Ausführungsform für die im Beispiel der Fig. 2 verwendeten optischen Mittel 14 ist in der Fig. 3A dargestellt. Sie umfaßt im wesentlichen zwei Selfoc-Lin­ sen 15a, b mit einem Pitch von 0,25, eine dritte Selfoc-Linse 15c mit einem Pitch kleiner 0,25, einen Strahltei­ ler 16 sowie eine Ein-Moden-Faser 17. Die erste Selfoc-Linse 15a kollimiert die aus dem Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 3 austretenden Interferenzsignale zu einem Parallelstrahl, welcher durch den Strahlteiler 16 in zwei Teilstrahlen zerlegt wird (der zugehörige Strahlengang 19 ist durch gestrichelte Linien angedeutet).A possible embodiment for the optical means 14 used in the example in FIG. 2 is shown in FIG. 3A. It essentially comprises two Selfoc lenses 15 a, b with a pitch of 0.25, a third Selfoc lens 15 c with a pitch less than 0.25, a beam splitter 16 and a single-mode fiber 17 . The first Selfoc lens 15 a collimates the interference signals emerging from the output end of the two-mode fiber 3 into a parallel beam, which is split into two partial beams by the beam splitter 16 (the associated beam path 19 is indicated by dashed lines).

Der erste Teilstrahl wird durch die zweite Selfoc-Linse 15b wieder so fokussiert, daß das Ausgangsende der Zwei- Moden-Faser 3 auf die dem Strahlteiler 16 abgewandte Flä­ che abgebildet wird, d. h. dort das Nahfeld-Interferenzmu­ ster erscheint. Von diesem Nahfeld-Interferenzmuster wird durch die Ein-Moden-Faser 17, die als räumliches Filter wirkt, eine der Substrukturen - in diesem Fall I11 - aus­ gekoppelt und über eine mit einem Spleiß 18 angespleiß­ te erste Multimoden-Faser 13a zu dem entsprechenden De­ tektor 12a (Fig. 2) geleitet.The first partial beam is again focused by the second Selfoc lens 15 b so that the output end of the two-mode fiber 3 is mapped onto the surface facing away from the beam splitter 16 , ie the near-field interference pattern appears there. From this near-field interference pattern, one of the substructures - in this case I 11 - is coupled out by the single-mode fiber 17 , which acts as a spatial filter, and is coupled via a first multimode fiber 13 a spliced with a splice 18 to that corresponding De tector 12 a ( Fig. 2) passed.

Der zweite Teilstrahl wird durch die dritte Selfoc-Linse 15c so gebündelt, daß sich die Eingangsenden der zwei nachfolgenden, als Auskopplungsfasern dienenden Multimo­ den-Fasern 13b, c noch im optischen Fernfeld der Zwei-Mo­ den-Faser 3 befinden, das Licht aber bereits effizient in die zwei Auskopplungsfasern eingekoppelt wird, wobei je­ weils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interfe­ renzmusters der Zwei-Moden-Faser 3 in jeweils eine der beiden Auskopplungsfasern eingekoppelt wird.The second partial beam is bundled by the third Selfoc lens 15 c so that the input ends of the two subsequent multimode fibers serving as decoupling fibers 13 b, c are still in the optical far field of the two-mode fiber 3 , the light but is already efficiently coupled into the two coupling fibers, each one of the two substructures of the far field interference pattern of the two-mode fiber 3 being coupled into one of the two coupling fibers.

Eine mögliche Ausführungsform der im Beispiel der Fig. 2 verwendeten elektronischen Mittel 11 ist in der Fig. 3B wiedergegeben. Aus den Signalen I11, I21 und I22 wird dort in der angegebenen Weise durch Filterung mittels dreier Tiefpaßfilter 21a, b, c und zweier Bandpaßfilter 20a, b, sowie durch Kombination mittels zweier Subtrahie­ rer 22a, b, dreier Addierer 55a, b, c, eines Abschwächers 54 (mit dem Abschwächungsfaktor 0,5), vierer Absolutwert­ bildner 53a, b, c, d und eines Dividierers 23 das gewünschte Nutzsignal erzeugt und am Signalausgang 10 bereitge­ stellt.A possible embodiment of the electronic means 11 used in the example in FIG. 2 is shown in FIG. 3B. From the signals I 11 , I 21 and I 22 there is in the specified manner by filtering using three low-pass filters 21 a, b, c and two band-pass filters 20 a, b, and by combining using two subtractors 22 a, b, three adders 55 a, b, c, an attenuator 54 (with the attenuation factor 0.5), four absolute value formers 53 a, b, c, d and a divider 23 generates the desired useful signal and provides it at signal output 10 .

Die Vorteile des beschriebenen faseroptischen Sensors gemäß der älteren Anmeldung sind:The advantages of the described fiber optic sensor According to the older application:

  • - Es gibt keine elektrische Verbindung zwischen der Sensorelektronik 6 und dem Sensorkopf 9 (galvanische Trennung); - There is no electrical connection between the sensor electronics 6 and the sensor head 9 (galvanic isolation);
  • - der Abstand zwischen der Sensorelektronik 6 und dem Sensorkopf 9 kann relativ groß sein;- The distance between the sensor electronics 6 and the sensor head 9 can be relatively large;
  • - es ist keine Kontrolle bzw. Regelung des Interfero­ meter-Arbeitspunkts erforderlich; und- It is not a control or regulation of the Interfero meter operating point required; and
  • - die elektronischen Mittel zur Signalauswertung sind einfach.- are the electronic means for signal evaluation easy.

Diesen Vorteile stehen allerdings auch Nachteile gegen­ über: Da der Arbeitspunkt des Interferometers nicht sta­ bilisiert wird, enthalten die Interferenzsignale am Aus­ gangsende der Zwei-Moden-Faser 3 höhere Harmonische des Grundsignals. Diese Harmonischen müssen für die Demodula­ tion der Interferenzsignale mit elektronischen Band­ paßfiltern (20a, b in Fig. 3B) herausgefiltert werden. Die nutzbare Bandbreite ist damit eingeschränkt.However, these advantages are offset by disadvantages: Since the operating point of the interferometer is not stabilized, the interference signals at the output end of the two-mode fiber 3 contain higher harmonics of the basic signal. These harmonics must be filtered out for the demodulation of the interference signals with electronic bandpass filters ( 20 a, b in FIG. 3B). This limits the usable bandwidth.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Sensor anzugeben, der sich bei großer nutzbarer Bandbreite durch einfachen Aufbau und hohe Genauigkeit und Störsicherheit auszeichnet, und bei dem die eigentliche Meßfaser ausschließlich über separate Glasfasern an die Lichtquelle und die Auswerteelektronik angekoppelt werden kann.It is therefore the object of the present invention specify a fiber optic sensor that is large usable bandwidth through simple structure and high Accuracy and immunity to interference, and in the the actual measuring fiber exclusively via separate Glass fibers to the light source and the evaluation electronics can be coupled.

Die Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daßThe task is for a sensor of the type mentioned Art solved in that

  • d) die Faser eine Zwei-Moden-Faser ist, deren Parameter so gewählt sind, daß sich in ihr der LP01-Grundmo­ dus und der gerade LP11-Modus ausbreiten können;d) the fiber is a two-mode fiber, the parameters of which are selected so that the LP 01 basic mode and the straight LP 11 mode can propagate in it;
  • e) vor dem Eingangsende der Zwei-Moden-Faser eine kohä­ rente Lichtquelle mit einer regelbaren Wellenlänge angeordnet ist, welche kohärente Lichtquelle die beiden Moden der Zwei-Moden-Faser anregt;e) a kohä before the input end of the two-mode fiber annuity light source with an adjustable wavelength  is arranged, which coherent light source the stimulates both modes of the two-mode fiber;
  • f) die Mittel zum Messen der feldbedingten Längenände­ rung der Faser optische Mittel, elektronische Mittel und Detektoren umfassen; wobeif) the means for measuring the field-related lengthways fiber optical means, electronic means and include detectors; in which
  • g) die optischen Mittel die am Ausgangsende der Zwei-Mo­ den-Faser auftretenden Interferenzmuster in opti­ sche Nah- und Fernfeldsignale aufteilen;g) the optical means that at the exit end of the two-mo the fiber interference pattern occurring in opti split near and far field signals;
  • h) die Detektoren die optischen Nah- und Fernfeldsig­ nale in entsprechende elektrische Nah- und Fernfeld­ signale umwandeln; undh) the detectors the optical near and far field sig nale in corresponding electrical near and far field convert signals; and
  • i) die elektronischen Mittel aus den elektrischen Nah- und Fernfeldsignalen einerseits die Längenänderungs-In­ formation und andererseits ein Signal für die Re­ gelung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle gewinnen.i) the electronic means from the electrical local and Far field signals on the one hand the length change-in formation and on the other hand a signal for the Re the wavelength of the coherent light source win.

Der Kern der Erfindung besteht darin, einerseits - wie in der älteren deutschen Anmeldung - eine auf dem Guoy-Effekt basierende, die unterschiedlichen Nah- und Fernfeld­ signale verwendende, passive Signaldetektion zu verwirk­ lichen, und andererseits aus den Fern- oder Nahfeldsigna­ len ein Regelsignal zu gewinnen, mit dessen Hilfe die Wellenlänge der Lichtquelle geregelt werden kann.The essence of the invention is, on the one hand - as in the older German application - one on the Guoy effect based, the different near and far field to implement passive signal detection using signals lichen, and on the other hand from the far or near field signals len to obtain a control signal, with the help of which Wavelength of the light source can be regulated.

Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt des Zwei-Moden-Fa­ ser-Interferometers so eingestellt werden, daß bei der Modulation durch das Feldsignal höhere Harmonische nur in einer vernachlässigbaren Größenordnung entstehen und in der Auswerteelektronik auf entsprechende Bandpaßfilter verzichtet werden kann. Die gewünschte galvanische Tren­ nung zwischen Sensorelektronik und Sensorkopf bleibt da­ bei vollständig erhalten.In this way, the working point of the two-mode Fa water interferometers are set so that the Modulation by the field signal higher harmonics only in of a negligible size and in the evaluation electronics on appropriate bandpass filters can be dispensed with. The desired galvanic door There remains voltage between the sensor electronics and the sensor head at fully received.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Sensors zeichnet sich dadurch aus, daß A first preferred embodiment of the Invention modern sensor is characterized in that  

  • a) die kohärente Lichtquelle als Laserdiode ausgebildet ist;a) the coherent light source is designed as a laser diode is;
  • b) die Wellenlänge der Laserdiode über deren Betriebs­ strom oder Temperatur von einer Laserdiodenregelung geregelt wird, welche ein Regelsignal aus einem Qua­ draturregler erhält, dessen Eingang wiederum mit den elektronischen Mitteln in Verbindung steht; undb) the wavelength of the laser diode over its operation current or temperature from a laser diode control is regulated, which is a control signal from a Qua pressure regulator receives, whose input in turn with the communicates with electronic means; and
  • c) die Wellenlänge der Laserdiode so eingeregelt wird, daß im Fernfeld zwischen den beiden interferieren­ den Moden ein Gangunterschied von ± pi/2 (modulo 2pi) besteht.c) the wavelength of the laser diode is adjusted in such a way that interfere in the far field between the two the modes a path difference of ± pi / 2 (modulo 2pi) exists.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfassen die optischen Mittel zur Trennung der Nah- und Fernfeld­ signale:In a second preferred embodiment the optical means for separating the near and far fields signals:

  • a) eine direkt am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser an­ geordnete erste Linse zur Kollimierung der aus der Zwei-Moden-Faser austretenden zwei Moden zu einem Parallelstrahl;a) one directly at the output end of the two-mode fiber ordered first lens to collimate the from the Two-mode fiber exiting two modes into one Parallel beam;
  • b) einen ersten, hinter der ersten Linse angeordneten Strahlteiler, welcher den Parallelstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltet;b) a first, arranged behind the first lens Beam splitter, which divides the parallel beam into two Split beams;
  • 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-Moden-Faser auf das Eingangsende der ersten Auskopplungsfaser abgebildet wird; undc) a second lens with a subordinate first Decoupling fiber, which second lens the first of the two partial beams so focused that the end area of the two-mode fiber on the input end of the first coupling fiber is imaged; and
  • d) eine dritte Linse mit zwei parallelen, nachgeordne­ ten Auskopplungsfasern, welche dritte Linse den zweiten Teilstrahl so bündelt, daß sich die Ein­ gangsenden der zwei Auskopplungsfasern noch im opti­ schen Fernfeld der Zwei-Moden-Faser befindet, das Licht aber bereits effizient in die zwei Auskopp­ lungsfaser eingekoppelt wird, wobei jeweils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmusters der Zwei-Moden-Faser in jeweils eine der beiden Aus­ kopplungsfasern eingekoppelt wird.d) a third lens with two parallel, subordinate out coupling fibers, which third lens the bundles the second sub-beam so that the one ends of the two coupling fibers still in the opti far field of the two-mode fiber is located Light but already efficient in the two decoupling Lung fiber is coupled, each one of the two substructures of the far field interference pattern  the two-mode fiber in one of the two off coupling fibers is coupled.

Der Sensor ist dann beispielsweise so ausgebildet, daßThe sensor is then designed, for example, in such a way that

  • a) die elektronischen Mittel zwei Tiefpaßfilter und einen Verstärker mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang, sowie zwei Subtrahierer, einen Addierer und einen Dividierer mit jeweils zwei Eingängen und ei­ nem Ausgang, umfassen; wobeia) the electronic means two low pass filters and an amplifier with one input and one Output, as well as two subtractors, an adder and a divider with two inputs each and egg output, include; in which
  • b) auf die beiden Eingänge des ersten Subtrahierers und die beiden Eingänge des Addierers die beiden elek­ trischen Fernfeldsignale gelangen, und der Ausgang des ersten Subtrahierers mit dem Eingang des ersten Tiefpaßfilters und dem ersten Eingang des Dividie­ rers, und der Ausgang des Addierers mit dem ersten Eingang des zweiten Subtrahierers verbunden sind;b) to the two inputs of the first subtractor and the two inputs of the adder the two elec trical far-field signals arrive, and the output of the first subtractor with the input of the first Low pass filter and the first input of the dividie rers, and the output of the adder with the first Input of the second subtractor are connected;
  • c) auf den zweiten Eingang des zweiten Subtrahierers über das zweite Tiefpaßfilter und den nachgeschal­ teten Verstärker eines der beiden elektrischen Nah­ feldsignale gelangt;c) to the second input of the second subtractor via the second low-pass filter and the reshaped killed amplifier one of the two electrical Nah field signals arrives;
  • d) der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters auf den Ein­ gang des Quadraturreglers geschaltet ist;d) the output of the first low-pass filter on gear of the quadrature controller is switched;
  • e) der Ausgang des zweiten Subtrahierers mit dem zwei­ ten Eingang des Dividierers verbunden ist; unde) the output of the second subtractor with the two th input of the divider is connected; and
  • f) der Ausgang des Dividierers mit einem Signalausgang für die Abnahme des Nutzsignals in Verbindung steht.f) the output of the divider with a signal output is related to the decrease in the useful signal.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.Further embodiments result from the subordinate sayings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt The invention is intended below with reference to exemplary embodiments play explained in connection with the drawing will. It shows  

Fig. 1A ein Beispiel für einen faseroptischen E-Feld-Sen­ sor mit Zwei-Moden-Faser; Fig. 1A is an example of a fiber optic electric field sen sor with double-mode fiber;

Fig. 1B die Prinzipdarstellung der Interferenzmuster am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (3) aus Fig. 1A; Figure 1B is the schematic representation of the interference pattern at the output end of the double-mode fiber (3) of FIG. 1A.

Fig. 2 den Aufbau eines faseroptischen Sensors mit passiver Signaldetektion gemäß einer älteren deutschen Anmeldung derselben Erfinder; Fig. 2 shows the construction of a fiber optic sensor with a passive signal detection in accordance with an earlier German application by the same inventor;

Fig. 3A ein Ausführungsbeispiel für die optischen Mit­ tel (14), wie sie im Sensor gemäß Fig. 2 ver­ wendet werden; . Fig. 3A shows an embodiment for the optical With tel (14), as in the sensor of Figure 2 ver be spent;

Fig. 3B ein Ausführungsbeispiel für die elektronischen Mittel (11), wie sie im Sensor gemäß Fig. 2 verwendet werden; Figure 3B is an exemplary embodiment of the electronic means (11), such as are used in the sensor of Fig. 2.

Fig. 4 den Aufbau eines beispielhaften Sensors mit passiver Signaldetektion und Arbeitpunktrege­ lung des Interferometers nach der Erfindung; Figure 4 shows the structure of an exemplary sensor with passive signal detection and working point regulation of the interferometer according to the invention.

Fig. 5A ein erstes Ausführungsbeispiel für die opti­ schen Mittel (31) gemäß Fig. 4 zur Trennung aller Nah- und Fernfeldsignale; Fig. 5A shows a first embodiment for the optical rule's ( 31 ) of Figure 4 for separating all near and far field signals.

Fig. 5B eine zu Fig. 5A alternative Ausführungsform der optischen Mittel (31), bei welchen nur ein Nah- und beide Fernfeldsignale getrennt werden; FIG. 5B shows an alternative embodiment of the optical means ( 31 ) to FIG. 5A, in which only one near and both far field signals are separated;

Fig. 6A ein Ausführungsbeispiel für die elektronischen Mittel (34) eines Sensors nach Fig. 4 mit den optischen Mitteln (31) gemäß Fig. 5A; . Fig. 6A is an exemplary embodiment of the electronic means (34) of a sensor of Figure 4 with the optical means (31) in Fig. 5A;

Fig. 6B eine zu Fig. 6A alternative Ausführungsform der elektronischen Mittel (34), welche optische Mittel (31) gemäß Fig. 5B voraussetzt; FIG. 6B shows an alternative embodiment of the electronic means ( 34 ) to FIG. 6A, which presupposes optical means ( 31 ) according to FIG. 5B;

Fig. 7A, B Amplitudendiagramme zur Verdeutlichung der Ar­ beitspunktregelung des Sensor-Interferometers; und FIG. 7A, B are diagrams illustrating the amplitude Ar of the sensor beitspunktregelung interferometer; and

Fig. 8 ein Diagramm für die normierte Phasenverschie­ bung im Interferometer in Abhängigkeit von der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle. Fig. 8 is a diagram for the normalized phase shift in the interferometer as a function of the wavelength of the coherent light source.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Auf die Darstellungen in den Fig. 1A, B, Fig. 2 und Fig. 3A, B soll im folgenden nicht weiter eingegangen werden, da sie sich auf die bereits genannte ältere deutsche An­ meldung beziehen und bereits im Zusammenhang mit der Ein­ leitung erläutert worden sind.In the illustrations in FIGS. 1A, B, Fig. 2 and Fig. 3A, B will not be further discussed below, as they relate to the aforementioned older German to message and explained line in connection with the A are.

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Sensors nach der Erfindung. Der Sensor be­ steht im wesentlichen aus einem Sensorkopf 27, einer Sen­ sorelektronik 25 und einer Mehrzahl von separaten Glasfa­ sern (26, 32a-d), welche Sensorkopf 27 und Sensorelektro­ nik 25 miteinander verbinden. Fig. 4 shows a preferred embodiment of a fiber optic sensor according to the invention. The sensor consists essentially of a sensor head 27 , sensor electronics 25 and a plurality of separate glass fibers ( 26 , 32 a-d) which connect sensor head 27 and sensor electronics 25 to one another.

Im Sensorkopf 27 ist ein piezoelektrisches Sensorelement 29 angeordnet, welches seine durch ein E-Feld hervorgeru­ fenen Dimensionsänderungen als Längenänderung auf eine an ihm fixierte Zwei-Moden-Faser 30 überträgt. Die Zwei-Mo­ den-Faser 30 stellt ein Interferometer dar, welches von einer Laserdiode 24 über eine polarisationserhaltende Ein-Moden-Faser 26 und einen entsprechenden Spleiß 28 angeregt wird. In the sensor head 27 , a piezoelectric sensor element 29 is arranged, which transmits its dimensional changes caused by an E field as a change in length to a two-mode fiber 30 fixed to it. The two-mode fiber 30 represents an interferometer which is excited by a laser diode 24 via a polarization-maintaining single-mode fiber 26 and a corresponding splice 28 .

Die angeregten Moden interferieren längenabhängig. Die Substrukturen der resultierenden Interferenzmuster werden am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 30 mit Hilfe opti­ scher Mittel 31 getrennt, über Multimodenfasern 32a-d auf entsprechende Detektoren 33a-d gegeben und dort in ge­ eignete elektrische Signale umgewandelt. Aus den elektri­ schen Signalen wird dann mit Hilfe elektronischer Mittel 34 das gewünschte Nutzsignal sowie ein weiteres Signal gewonnen. Das Nutzsignal, welches an einem Signalausgang 35 abgenommen werden kann, gibt ein Maß für das am Sen­ sorelement 29 anliegende elektrische Feld. Das weitere Signal wird über einen Quadraturregler 37 und eine Laser­ diodenregelung 38 zur aktiven Regelung der Wellenlänge der Laserdiode 24 und damit des Arbeitspunktes des Inter­ ferometers verwendet (siehe Fig. 8).The excited modes interfere depending on the length. The substructures of the resulting interference pattern are separated at the output end of the two-mode fiber 30 with the aid of optical means 31 , are passed through multimode fibers 32 a-d to corresponding detectors 33 a-d and are converted there into suitable electrical signals. The desired useful signal and a further signal are then obtained from the electrical signals using electronic means 34 . The useful signal, which can be taken from a signal output 35 , gives a measure of the electrical field applied to the sensor element 29 . The further signal is used via a quadrature regulator 37 and a laser diode regulator 38 for actively regulating the wavelength of the laser diode 24 and thus the operating point of the interferometer (see FIG. 8).

Grundsätzlich ergibt sich für die Interferenz in der Zwei-Moden-Faser 30 die folgende Situation: Der LP01-Grund­ modus und der LP11-Modus der Zwei-Moden-Faser können in sehr guter Näherung durch die Gaussschen TEM00- und TEM10-Moden dargestellt werden. Diese beiden Moden haben nach Verlassen der Faser die FormBasically, the following situation arises for the interference in the two-mode fiber 30 : The LP 01 basic mode and the LP 11 mode of the two-mode fiber can be approximated very well by the Gaussian TEM 00 and TEM 10 Modes are shown. These two modes have the shape after leaving the fiber

Elm(x, y, z) = E0lm(x, y, z)exp[-ik(x²+y²)/2R(z)-ikz+i(l+m+1)eta]. (3)E lm (x, y, z) = E 0lm (x, y, z) exp [-ik (x² + y²) / 2R (z) -ikz + i (l + m + 1) eta]. (3)

Hierbei ist E01m(x, y, z) die Amplitude, x und y sind die Koordinatenrichtungen senkrecht und z ist die Koordina­ tenrichtung parallel zur Strahlausbreitungsrichtung (z = 0 entspricht der Position des Faserendes); k ist die Wel­ lenzahl (k = 2pi/lambda, wobei lambda für die optische Wellenlänge steht). R(z) und eta(z) sind gegeben durchHere E 01m (x, y, z) is the amplitude, x and y are the coordinate directions perpendicular and z is the coordinate direction parallel to the beam propagation direction (z = 0 corresponds to the position of the fiber end); k is the wave number (k = 2pi / lambda, where lambda stands for the optical wavelength). R (z) and eta (z) are given by

R(z) = z(1+z₀²/z²) (4)R (z) = z (1 + z₀² / z²) (4)

eta(z) = tan-1(z/z₀) (5)eta (z) = tan -1 (z / z₀) (5)

mitWith

z₀ = (piΩ₀² · n)/lambda (6).z₀ = (piΩ₀² · n) / lambda (6).

n ist der Brechungsindex (n ≈ 1 in Luft), Ω0 ist der la­ terale Abstand von der optischen Achse bei z = 0, bei welchem die Feldamplitude auf 1/e ihres Wertes auf der Achse gefallen ist.n is the refractive index (n ≈ 1 in air), Ω 0 is the lateral distance from the optical axis at z = 0, at which the field amplitude has dropped to 1 / e of its value on the axis.

Für Abstände z » z0 vom Faserende geht eta(z) gegen pi/2. Die beiden Moden TEM00(l = 0, m = 0) und TEM10(l = 1, m = 0) (bzw. die LP01- und LP11-Moden) 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 Moden im Nah- und Fernfeld besteht damit ebenfalls ein Phasenun­ terschied von pi/2. Die Intensitäten in den Substrukturen der Interferenzmuster sind dann im Nahfeld (Nahfeldsignale)For distances z »z 0 from the fiber end, eta (z) goes against pi / 2. The two modes TEM 00 (l = 0, m = 0) and TEM 10 (l = 1, m = 0) (or the LP 01 and LP 11 modes) thus experience their propagation from the optical near field (z ≈ 0) into the optical far field (z »z 0 ) a relative phase shift of pi / 2. There is therefore also a phase difference of pi / 2 between the interference patterns of the two modes in the near and far fields. The intensities in the substructures of the interference pattern are then in the near field (near field signals)

I₁₁ = (1/2)I₀(1+acosΦ(t)) (7)I₁₁ = (1/2) I₀ (1 + acosΦ (t)) (7)

I₁₂ = (1/2)I₀(1-acosΦ(t)) (8)I₁₂ = (1/2) I₀ (1-acosΦ (t)) (8)

und im Fernfeld (Fernfeldsignale)and in the far field (far field signals)

I₂₁ = (1/2)I₀(1+asinΦ(t)) (9)I₂₁ = (1/2) I₀ (1 + asinΦ (t)) (9)

I₂₂ = (1/2)I₀(1-asinΦ(t)) (10),I₂₂ = (1/2) I₀ (1-asinΦ (t)) (10),

mit Φ(t) = AsinΩt + R(t). Die Phasenverschiebung Φ(t) zwischen den beiden Moden setzt sich also - wie bereits eingangs erwähnt - zusammen aus einem durch das zu mes­ sende Wechselfeld hervorgerufenen, zeitlich periodischen Anteil AsinΩt (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. I0 ist die to­ tale Lichtintensität und a ist ein Maß für den Inter­ ferenzkontrast. Man beachte, daß zwischen Nah- und Fern­ feld ein Phasenunterschied von pi/2 besteht.with Φ (t) = AsinΩt + R (t). The phase shift Φ (t) between the two modes is - as already mentioned at the beginning - composed of a temporally periodic component AsinΩt (A is proportional to the amplitude of the field) caused by the alternating field to be measured and an arbitrary phase term R ( t), the z. B. can also change over time due to temperature-related fluctuations in the fiber length. I 0 is the total light intensity and a is a measure of the interference contrast. Note that there is a phase difference of pi / 2 between near and far fields.

Von den insgesamt vier Nah- und Fernfeldsignalen (I11-I22) werden wenigstens drei, insbesondere auch alle vier, zur Auswertung in der Sensorelektronik herangezogen. Zu diesem Zweck müssen sie zunächst durch die optischen Mit­ tel 31 voneinander separiert werden.Of the total of four near and far field signals (I 11 -I 22 ), at least three, in particular also all four, are used for evaluation in the sensor electronics. For this purpose, they must first be separated from one another by the optical means 31 .

Die Fig. 5A zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die optischen Mittel 31 aus Fig. 4, die es erlauben, alle vier Nah- und Fernfeldsignale gemäß den Gleichungen (7)-(10) voneinander zu trennen und dann über die separaten Glasfasern (32a-d) zu den sich in einiger Entfernung be­ findlichen Detektoren 33a-d zu führen. FIG. 5A shows a preferred exemplary embodiment for the optical means 31 from FIG. 4, which allow all four near and far field signals to be separated from one another in accordance with equations (7) - (10) and then via the separate glass fibers ( 32 ad ) lead to the detectors 33 a-d located some distance away.

Die beiden aus der Zwei-Moden-Faser 30 austretenden Moden werden mit einer ersten Selfoc-Linse 39a (mit einem Pitch von 0,25) zu einem Parallelstrahl kollimiert, dessen räumliche Intensitätsverteilung dem Fernfeld-Interferenz­ muster entspricht (der entsprechende Strahlengang 41 ist in den Fig. 5A und 5B als gestrichelte Linie angedeutet).The two modes emerging from the two-mode fiber 30 are collimated with a first Selfoc lens 39 a (with a pitch of 0.25) to form a parallel beam whose spatial intensity distribution corresponds to the far-field interference pattern (the corresponding beam path is 41 indicated in FIGS. 5A and 5B as a dashed line).

Der kollimierte Strahl wird mit Hilfe zweier hintereinan­ der angeordneter, würfelförmiger Strahlteiler 40a, b in drei Teilstrahlen aufgespalten. Zwei dieser Teilstrahlen werden mittels zweier weiterer 0,25-Pitch-Selfoc-Linsen 39b und 39d fokussiert. An den vom Strahlteiler 40b abge­ wandten Seiten der beiden Selfoc-Linsen 39b und 39d ent­ steht dann das Bild der Endfläche der Zwei-Moden-Faser 30 und folglich wieder das Nahfeld-Interferenzmuster.The collimated beam is split into three partial beams with the aid of two cube-shaped beam splitters 40 a, b arranged one behind the other. Two of these partial beams are focused using two further 0.25-pitch Selfoc lenses 39 b and 39 d. Of the two Selfoc lens 39 is b and the b by the beam splitter 40 abge facing sides 39 d ent then the image of the end face of the double-mode fiber 30, and thus again the near-field interference pattern.

Je eine der beiden Substrukturen dieses Nahfeld-Interfe­ renzmusters wird jeweils mit einem kurzen Stück einer Ein-Moden-Faser 42a bzw. 42b (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 Multimoden-Fasern 44a bzw. 44d, die über entsprechende Spleiße 43a bzw. 43b an die Ein-Moden-Fasern 42a bzw. 42b angespleißt sind, zu den Detektoren übertragen werden. Die Verwendung von Multimo­ den-Fasern bietet Kostenvorteile (z. B. kostengünstige Fa­ sersteckverbindungen); prinzipiell können anstelle der beiden kurzen Ein-Moden-Fasern 42a, b aber auch lange Ein- Moden-Fasern verwendet werden, welche die I11- und I12-Signale über die gesamte Distanz bis zu den Detektoren übertragen und damit die Multimoden-Fasern 44a und 44d ersetzen.Each of the two substructures of this near-field interference pattern is filtered out with a short piece of a single-mode fiber 42 a or 42 b (which here has the effect of a spatial filter). Care should be taken to ensure that two substructures are filtered out which are 180 ° out of phase relative to one another, that is to say correspond to signals I 11 and I 12 . The filtered out near field signals can then be transmitted to the detectors with multimode fibers 44 a and 44 d, which are spliced to the single-mode fibers 42 a and 42 b via corresponding splices 43 a and 43 b. The use of multimode fibers offers cost advantages (e.g. inexpensive fiber connectors); In principle, instead of the two short single-mode fibers 42 a, b, long single-mode fibers can also be used, which transmit the I 11 and I 12 signals over the entire distance to the detectors and thus the multimode Replace fibers 44 a and 44 d.

Im dritten Teilstrahl befindet sich eine weitere Selfoc-Linse 39c mit einem Pitch kleiner 0,25 (der Fokus liegt also in einigem Abstand außerhalb der Linse). Die Sel­ foc-Linse 39c bündelt den Strahl auf zwei unmittelbar ne­ beneinanderliegende Multimoden-Fasern 39b und 39c. Die Linsenlänge (bzw. der Pitch der Linse) ist so gewählt, daß (i) sich die vom Strahlteiler 40a abgewandte Endflä­ che der Linse noch im optischen Fernfeld befindet und (ii) der Strahl aber bereits so weit gebündelt ist, daß das Licht effizient in die beiden Multimoden-Fasern 39b, c eingekoppelt wird. Die Multimoden-Fasern 39b, c sind dabei so angeordnet, daß sie jeweils eine der beiden Substruk­ turen des Fernfeld-Interferenzmusters erfassen. Vorzugs­ weise wählt man Multimoden-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 um dicken Hartplastik-Man­ tel; bei genügend großem Kerndurchmesser kann auf die Selfoc-Linse 39c sogar ganz verzichtet werden). Die bei­ den Multimoden-Fasern führen somit die Signale I21 und I22 und übertragen sie zu einem zweiten Detektorpaar.In the third partial beam there is another Selfoc lens 39 c with a pitch of less than 0.25 (the focus is therefore at some distance outside the lens). The Sel foc lens 39 c focuses the beam on two immediately adjacent multimode fibers 39 b and 39 c. The length of the lens (or the pitch of the lens) is chosen so that (i) the end surface of the lens facing away from the beam splitter 40 a is still in the far optical field and (ii) the beam is already bundled so far that the light is efficiently coupled into the two multimode fibers 39 b, c. The multimode fibers 39 b, c are arranged so that they each capture one of the two substructures of the far field interference pattern. Preference is given to choosing multimode fibers with a relatively large core diameter and small thickness of the fiber cladding (e.g. hard cladded silica (HCS) fibers with a 200 µm thick quartz glass core and a 15 µm thick hard plastic jacket; with a sufficiently large core diameter can be the Selfoc lens 39 c can even be dispensed with entirely). The multimode fibers thus carry the signals I 21 and I 22 and transmit them to a second pair of detectors.

Die vier getrennten optischen Nah- und Fernfeldsignale gelangen über die Multimoden-Fasern 39a-d auf die Detek­ toren 33a-d, werden dort in vier elektrische Nah- und Fernfeldsignale I11-I22 umgewandelt und dann durch elektronische Mittel 34 ausgewertet, wie sie beispielhaft in Fig. 6A wiedergegeben sind. Diese elektronischen Mit­ tel 34 umfassen zwei Subtrahierer 45a, b und einen Divi­ dierer 47 mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang, sowie zwei Tiefpaßfilter 46a, b, welche in der in Fig. 6A angegebenen Weise miteinander verschaltet sind.The four separate near and far field optical signals pass through the multimode fibers 39 a-d to the detectors 33 a-d, where they are converted into four near and far field electrical signals I 11 -I 22 and then evaluated by electronic means 34 , as exemplified in Fig. 6A are shown. These electronic With tel 34 include two subtractors 45 a, b and a divider 47 , each with two inputs and one output, and two low-pass filters 46 a, b, which are interconnected in the manner shown in Fig. 6A.

Die Fernfeldsignale (I21, I22) werden jeweils auf die Eingänge des ersten Subtrahierers 45a, die Nahfeldsignale (I11, I12) auf die Eingänge des zweiten Subtrahierers 45b gegeben. Durch Bildung der Differenz der Fernfeldsignale im ersten Subtrahierer 45a erhält man an dessen Ausgang:The far field signals (I 21 , I 22 ) are each given to the inputs of the first subtractor 45 a, the near field signals (I 11 , I 12 ) to the inputs of the second subtractor 45 b. By forming the difference between the far field signals in the first subtractor 45 a, one obtains at its output:

I₂₁-I₂₂ = aI₀′sinΦ(t) = aI₀′sin(AsinΩt+R(t)) (A«pi/2) (11).I₂₁-I₂₂ = aI₀′sinΦ (t) = aI₀′sin (AsinΩt + R (t)) (A «pi / 2) (11).

Mit Hilfe des ersten Tiefpaßfilters 46a wird aus diesem Differenzsignal der langsam fluktuierende Teil aI0′sinR(t) herausgefiltert und dem Quadraturregler 37 zugeführt. Der Quadraturregler 37 regelt über den Regler­ ausgang 36 im Zusammenspiel mit der nachfolgenden Laser­ diodenregelung 38 den Betriebsstrom oder die Temperatur der Laserdiode 24 und damit die Wellenlänge (lambda) in der Weise, daß das Reglereingangssignal aI0′sinR(t) gleich Null wird. Der Phasenunterschied R im Fernfeld wird also auf 0 oder pi (modulo 2pi) eingestellt. Dies ist möglich, weil - wie weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 8 erklärt - R eine Funktion der Wellenlänge ist. I0′ ist hier gleich (1/3)I0; dabei ist angenommen, daß die Strahlteilung in den optischen Mitteln 31 gemäß Fig. 5A so erfolgt, daß alle vier Nah- und Fernfeldsignale glei­ che Amplitude haben und keine Verluste auftreten.With the help of the first low-pass filter 46 a, the slowly fluctuating part aI 0 'sinR (t) is filtered out of this difference signal and fed to the quadrature controller 37 . The quadrature controller 37 controls the controller output 36 in conjunction with the subsequent laser diode control 38, the operating current or the temperature of the laser diode 24 and thus the wavelength (lambda) in such a way that the controller input signal aI 0 'sinR (t) becomes zero. The phase difference R in the far field is therefore set to 0 or pi (modulo 2pi). This is possible because - as explained below in connection with FIG. 8 - R is a function of the wavelength. I 0 ′ is equal to (1/3) I 0 ; it is assumed that the beam splitting in the optical means 31 according to FIG. 5A takes place in such a way that all four near and far field signals have the same amplitude and no losses occur.

Mit der Regelung der Wellenlänge ist das Signal am Aus­ gang des ersten Subtrahierers nun:With the regulation of the wavelength, the signal is off of the first subtractor:

I₂₁-I₂₂ = aI₀′sin(AsinΩt) für R=0, 2pi, 4pi . . . bzw. = -aI₀′sin(AsinΩt) für R=pi, 3pi, 5pi . . . (12)I₂₁-I₂₂ = aI₀′sin (AsinΩt) for R = 0, 2pi, 4pi. . . or = -aI₀′sin (AsinΩt) for R = pi, 3pi, 5pi. . . (12)

Die Entwicklung nach Besselfunktionen ergibt:The development according to Bessel functions results in:

für kleine Amplituden A.for small amplitudes A.

Die Differenz der Nahfeldsignale im zweiten Subtrahierer 45b ergibt (mit R=0, 2pi, 4pi, . . .) entsprechend:The difference between the near-field signals in the second subtractor 45 b results (with R = 0, 2pi, 4pi,...) Accordingly:

Mit dem zweiten Tiefpaßfilter 46b (Grenzfrequenz kleiner 2Ω) werden die periodischen Anteile blockiert. Man erhält dann am Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters 46b:The periodic components are blocked with the second low-pass filter 46 b (cutoff frequency less than 2Ω). The following is then obtained at the output of the second low-pass filter 46 b:

I₁₁-I₁₂ = aI₀′J₀(A)≈aI₀′ (15)I₁₁-I₁₂ = aI₀′J₀ (A) ≈aI₀ ′ (15)

für kleine Amplituden A. Durch Quotientenbildung von (13) und (15) im Dividierer 47 for small amplitudes A. By forming the quotient of (13) and (15) in the divider 47

erhält man schließlich am Signalausgang 35 das ge­ wünschte Nutzsignal, welches unabhängig von Fluktuationen der Laserintensität und des Interferenzkontrastes ist.is finally obtained at the signal output 35, the desired wanted signal, which is independent of fluctuations in the laser intensity and the interference contrast.

Bei der Herleitung der Gleichung (16) wurden begrenzte Amplituden A der periodischen optischen Phasenverschie­ bung durch das elektrische Feld angenommen. Die nachfol­ gende Tabelle gibt den relativen Fehler dieser Näherung für verschiedene Werte von A an:In deriving equation (16), limited Amplitudes A of the periodic optical phase shift Exercise accepted by the electric field. The successor The table below shows the relative error of this approximation for different values from A to:

Tabelle table

Für Phasenverschiebungen unterhalb 0,1 rad (5,7 Grad) ist der Fehler kleiner als 0,05% und damit für alle prakti­ schen Anwendungen vernachlässigbar.For phase shifts below 0.1 rad (5.7 degrees) the error is less than 0.05% and therefore for all practi negligible applications.

Im Beispiel der Fig. 6A wird das Regelsignal und das Sig­ nal aI0′sinΩt aus den Fernfeldsignalen I21 und I22 abge­ leitet. Die Nahfeldsignale I11 und I12 werden gemäß Gleichung (16) zur Normierung herangezogen. Selbstver­ ständlich können im Rahmen der Erfindung bei entsprechen­ der Abänderung der Schaltung die beiden Signale aber auch umgekehrt aus den beiden Nahfeldsignalen abgeleitet und die beiden Fernfeldsignale zur Normierung herangezogen werden.In the example of FIG. 6A, the control signal and the signal aI 0 'sinΩt are derived from the far field signals I 21 and I 22 . The near-field signals I 11 and I 12 are used for standardization in accordance with equation (16). Of course, within the scope of the invention, the two signals can also be derived from the two near-field signals and the two far-field signals can be used for standardization if the circuit is modified.

Weiterhin ist es möglich, die beiden gewünschten Signale unter Verwendung beider Fernfeldsignale und nur eines der Nahfeldsignale zu erhalten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß anstelle der optischen Mittel 31 gemäß Fig. 5A ein vereinfachter Aufbau nach Fig. 5B verwendet werden kann. Die Anordnung aus Fig. 5B ist mit der aus Fig. 5A identisch mit Ausnahme des nicht mehr erforderli­ chen zweiten Strahlteilers 40b und des fehlenden zweiten Nahfeldzweiges. Aufbau und Wirkungsweise sind dieselben wie bei der Konfiguration der Fig. 3A.Furthermore, it is possible to obtain the two desired signals using both far-field signals and only one of the near-field signals. This embodiment has the advantage that, instead of the optical means 31 according to FIG. 5A, a simplified structure according to FIG. 5B can be used. The arrangement of FIG. 5B is identical to that of FIG. 5A with the exception of the second beam splitter 40 b no longer required and the missing second near-field branch. Structure and operation are the same as in the configuration of Fig. 3A.

Die zugehörigen elektronischen Mittel 34 sind in Fig. 6B wiedergegeben. Sie umfassen zwei Subtrahierer 48a, b, einen Addierer 50, zwei Tiefpaßfilter 49a, b, einen Ver­ stärker 51 (mit dem Verstärkungsfaktor 2) und einen Divi­ dierer 52. Die Arbeitspunktregelung und die Gewinnung des Differenzsignals I21-I22 erfolgen mittels des ersten Sub­ trahierers 48a und des ersten Tiefpaßfilters 49a auf die gleiche Weise wie bei der Schaltung gemäß Fig. 6A mit dem Unterschied, daß jetzt I0′ gleich (1/2)I0 ist. The associated electronic means 34 are shown in Fig. 6B. They include two subtractors 48 a, b, an adder 50 , two low-pass filters 49 a, b, a amplifier 51 (with the gain factor 2) and a divider 52 . The operating point control and the extraction of the differential signal I 21 -I 22 are carried out by means of the first subtractor 48 a and the first low-pass filter 49 a in the same way as in the circuit according to FIG. 6A with the difference that now I 0 'is equal (1 / 2) I is 0 .

Für die Signalnormierung werden zunächst aus dem Signal I11 oder aus dem Signal I12 die periodischen Anteile mit dem zweiten Tiefpaßfilter 49b (Grenzfrequenz kleiner 2Ω) herausgefiltert. Man erhält dann:For the signal normalization, the periodic components are first filtered out from the signal I 11 or from the signal I 12 with the second low-pass filter 49 b (cutoff frequency less than 2Ω). You then get:

I₁₁ = (1/2)I₀′(1+aJ₀(A))≈(1/2)I₀′(1+a) (bzw. I₁₂≈(1/2)I₀′(1-a)) (17).I₁₁ = (1/2) I₀ ′ (1 + aJ₀ (A)) ≈ (1/2) I₀ ′ (1 + a) (or I₁₂≈ (1/2) I₀ ′ (1-a)) (17).

Die im Addierer 50 gewonnen Summe der Fernfeldsignale er­ gibt:The sum of the far field signals obtained in the adder 50 gives:

I₂₁+I₂₂=I₀′ (18).I₂₁ + I₂₂ = I₀ ′ (18).

Durch Multiplizieren der Gleichung (17) mit einem Faktor 2 (im Verstärker 51) und subtrahieren von I0′ (Gleichung (18)) im zweiten Subtrahierer 48b ergibt sich:Multiplying equation (17) by a factor of 2 (in amplifier 51 ) and subtracting I 0 ′ (equation (18)) in second subtractor 48 b gives:

2(1/2)I₀′(1+a)-I₀′=aI₀′ (19).2 (1/2) I₀ ′ (1 + a) -I₀ ′ = aI₀ ′ (19).

Der im Dividierer 52 gebildete Quotient aus (13) und (19) ergibt erneut am Signalausgang 35 die gewünschte Größe AsinΩt, wiederum unabhängig von der Laserintensität I0 und dem Interferenzkontrast a. Der relative Fehler auf­ grund der Approximation der Besselfunktionen ist dabei der gleiche wie bei der Verarbeitung gemäß Fig. 6A.The quotient of (13) and (19) formed in the divider 52 again results in the desired magnitude AsinΩt at the signal output 35 , again independently of the laser intensity I 0 and the interference contrast a. The relative error due to the approximation of the Bessel functions is the same as in the processing according to FIG. 6A.

In Fig. 7A sind die cosinus- bzw. sinusförmigen Verläufe der Amplituden AM der Differenzen der Nah- bzw. Fernfeld­ signale in Abhängigkeit von der Phase Φ dargestellt (man beachte den Phasenunterschied aufgrund des Guoy-Effek­ tes). In den beschriebenen Beispielen des Sensors nach der Erfindung wird nun der Arbeitspunkt 28 des Interfero­ meters über die Regelung der Wellenlänge der Laserdiode 24 so eingestellt, daß er - wie in Fig. 7A gezeigt - im linearen Teil der cos-Funktion liegt. Die vom elektri­ schen Feld herrührende, überlagerte, vergleichsweise kleine Signalamplitude AM gemäß Fig. 7B führt dann nur zu geringen Oberwellen, so daß auf Bandpaßfilter ver­ zichtet werden kann.In Fig. 7A, the cosine or sinusoidal waveforms of the amplitudes AM of the differences of the near or far field signals are shown depending on the phase Φ (note the phase difference due to the Guoy effect). In the described examples of the sensor according to the invention, the operating point 28 of the interferometer is now set via the regulation of the wavelength of the laser diode 24 so that it is - as shown in Fig. 7A - in the linear part of the cos function. The resulting from the electrical field's, superimposed, comparatively small signal amplitude AM as shown in FIG. 7B then only leads to low harmonics, so that bandpass filters can be dispensed with.

Wie oben bereits erwähnt, hat eine Änderung des Be­ triebsstromes bzw. der Temperatur der Laserdidode 24 eine Verschiebung der Laserwellenlänge δlambda zur Folge, die wiederum zu einer differentiellen Phasenverschiebung δΦ zwischen den beiden Fasermoden in der Zwei-Moden-Faser 30 führt. Der Betrag δΦ am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 30 ist bei einer gegebenen Wellenlängenänderung δlambda abhängig von der Faserlänge L und den Faserparametern (Brechungsindexsprung zwischen Kern und Mantel und Länge der Hauptachsen der Kernellipse). Fig. 8 zeigt experimen­ telle (Punkte) und theoretische (Strich) Ergebnisse für den Wert (1/L)(δΦ/δlambda), die normierte Phasenverschie­ bung NPS, als Funktion von lambda (Delta n = 0,034; 3·2 µm2 Kernellipse). Man beachte, daß die Funktion einen Nulldurchgang aufweist. Die Parameter sind dabei so zu wählen, daß die Laserwellenlänge genügend weit vom Null­ durchgang entfernt liegt und ein ausreichend großer Dy­ namikbereich (< ± pi) erreicht wird.As already mentioned above, a change in the operating current or the temperature of the laser diode 24 results in a shift in the laser wavelength δlambda, which in turn leads to a differential phase shift δΦ between the two fiber modes in the two-mode fiber 30 . The amount δΦ at the output end of the two-mode fiber 30 for a given wavelength change δlambda depends on the fiber length L and the fiber parameters (refractive index jump between core and cladding and length of the main axes of the kernel ellipse). Fig. 8 shows experimental (points) and theoretical (dash) results for the value (1 / L) (δΦ / δlambda), the normalized phase shift NPS, as a function of lambda (delta n = 0.034; 3 · 2 µm 2 Kernel ellipse). Note that the function has a zero crossing. The parameters must be selected so that the laser wavelength is sufficiently far from the zero crossing and a sufficiently large dynamic range (<± pi) is reached.

In dem Fall, in welchem die Wellenlänge der Laserdiode 24 über deren Temperatur geregelt wird, wird das Ausgangs­ signal des Quadraturreglers 37 benutzt, um die die Tempe­ ratur eines Peltierelementes zu steuern, das in thermi­ schem Kontakt mit der Laserdiode 24 steht. Abhängig vom Laserdiodentyp ergibt sich für eine Temperaturänderung von 1°C eine Wellenlängenverschiebung von bis zu 0,1 nm.In the case in which the wavelength of the laser diode 24 is controlled by its temperature, the output signal of the quadrature regulator 37 is used to control the temperature of a Peltier element which is in thermal contact with the laser diode 24 . Depending on the type of laser diode, a temperature shift of 1 ° C results in a wavelength shift of up to 0.1 nm.

BezeichnungslisteLabel list

 1 Lichtquelle (kohärent)
 2, 29 Sensorelement (piezoelektrisch)
 3, 30 Zwei-Moden-Faser
 4a, b Detektor
 5, 24 Laserdiode
 6, 25 Sensorelektronik
 7, 26 Ein-Moden-Faser
 8, 28 Spleiss
 9, 27 Sensorkopf
10, 35 Signalausgang
11, 34 elektronische Mittel
12a, b, c Detektor
13a, b, c Multimoden-Faser
14, 31 optische Mittel
15a, b, c Selfoc-Linse
16 Strahlteiler
17 Ein-Moden-Faser
18 Spleiss
19, 41 Strahlengang
20a, b Bandpaßfilter
21a, b, c Tiefpaßfilter
22a, b Subtrahierer
23 Dividierer
32a, b, c, d Multimodenfaser
33a, b, c, d Detektor
36 Reglerausgang
37 Quadraturregler
38 Laserdiodenregelung
39a, b, c, d Selfoc-Linse
40a, b Strahlteiler
42a, b Ein-Moden-Faser
43a, b Spleiß
44a, b, c, d Multimoden-Faser
45a, b Subtrahierer
46a, b Tiefpaßfilter
47, 52 Dividierer
48a, b Subtrahierer
49a, b Tiefpaßfilter
50 Addierer
51 Verstärker (2×)
53a, b, c, d Absolutwertbildner
54 Abschwächer (Faktor 0,5)
55a, b, c Addierer
I₁₁, I₁₂ Nahfeldsignal (Intensität)
I₂₁, I₂₂ Fernfeldsignal (Intensität)
AM Amplitude
Φ Phase
E elektrisches Feld
a Interferenzkontrast
I₀′ Intensität
NPS normierte Phasenverschiebung
lambda Wellenlänge 1 light source (coherent)
2, 29 sensor element (piezoelectric)
3, 30 two-mode fiber
4 a, b detector
5, 24 laser diode
6, 25 sensor electronics
7, 26 single-mode fiber
8, 28 splice
9, 27 sensor head
10, 35 signal output
11, 34 electronic means
12 a, b, c detector
13 a, b, c multimode fiber
14, 31 optical means
15 a, b, c Selfoc lens
16 beam splitters
17 single-mode fiber
18 splice
19, 41 beam path
20 a, b bandpass filters
21 a, b, c low pass filter
22 a, b subtractor
23 dividers
32 a, b, c, d multimode fiber
33 a, b, c, d detector
36 controller output
37 Quadrature controller
38 laser diode control
39 a, b, c, d Selfoc lens
40 a, b beam splitter
42 a, b single-mode fiber
43 a, b splice
44 a, b, c, d multimode fiber
45 a, b subtractor
46 a, b low pass filter
47, 52 dividers
48 a, b subtractor
49 a, b low pass filter
50 adders
51 amplifiers (2 ×)
53 a, b, c, d absolute value generator
54 attenuators (factor 0.5)
55 a, b, c adders
I₁₁, I₁₂ near field signal (intensity)
I₂₁, I₂₂ far field signal (intensity)
AM amplitude
Φ phase
E electric field
a interference contrast
I₀ ′ intensity
NPS standardized phase shift
lambda wavelength

Claims (13)

1. Faseroptischer Sensor für elektrische Wechselfelder bzw. -Spannungen, umfassend
  • a) ein piezoelektrisches Sensorelement (29);
  • b) eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, welche optische Faser zumindest teil­ weise an dem Sensorelement (29) so fixiert ist, daß eine Dimensionsänderung des Sensorelements (29) in einem elektrischen Feld zu einer Längenänderung in der Faser führt; und
  • c) Mittel zum Messen der feldbedingten Längenänderung der Faser;
1. Fiber-optic sensor for alternating electrical fields or voltages, comprising
  • a) a piezoelectric sensor element ( 29 );
  • b) an optical fiber with an input end and an output end, which optical fiber is at least partially fixed to the sensor element ( 29 ) so that a dimensional change of the sensor element ( 29 ) in an electric field leads to a change in length in the fiber; and
  • c) means for measuring the field-related change in length of the fiber;
dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) die Faser eine Zwei-Moden-Faser (30) ist, deren Pa­ rameter so gewählt sind, daß sich in ihr der LP01-Grund­ modus und der gerade LP11-Modus ausbreiten kön­ nen;
  • e) vor dem Eingangsende der Zwei-Moden-Faser (30) eine kohärente Lichtquelle mit einer regelbaren Wellen­ länge angeordnet ist, welche kohärente Lichtquelle die beiden Moden der Zwei-Moden-Faser (30) anregt;
  • f) die Mittel zum Messen der feldbedingten Längenände­ rung der Faser optische Mittel (31), elektronische Mittel (34) und Detektoren (33a, b, c, d) umfassen; wo­ bei
  • g) die optischen Mittel (31) die am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (30) auftretenden Interferenzmuster in optische Nah- und Fernfeldsignale (I11, I12; I21, I22) aufteilen;
  • h) die Detektoren (33a, b, c, d) die optischen Nah- und Fernfeldsignale in entsprechende elektrische Nah- und Fernfeldsignale (I11, I12; I21, I22) umwandeln; und
  • i) die elektronischen Mittel (34) aus den elektrischen Nah- und Fernfeldsignalen (I11, I12; I21, I22) einer­ seits die Längenänderungs-Information und anderer­ seits ein Signal für die Regelung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle gewinnen.
 characterized in that
  • d) the fiber is a two-mode fiber ( 30 ), whose parameters are selected so that the LP 01 basic mode and the straight LP 11 mode can spread in it;
  • e) before the input end of the two-mode fiber ( 30 ) is arranged a coherent light source with a controllable wavelength, which coherent light source excites the two modes of the two-mode fiber ( 30 );
  • f) the means for measuring the field-related change in length of the fiber comprise optical means ( 31 ), electronic means ( 34 ) and detectors ( 33 a, b, c, d); in which
  • g) the optical means ( 31 ) divide the interference patterns occurring at the output end of the two-mode fiber ( 30 ) into near and far field optical signals (I 11 , I 12 ; I 21 , I 22 );
  • h) the detectors ( 33 a, b, c, d) convert the optical near and far field signals into corresponding electrical near and far field signals (I 11 , I 12 ; I 21 , I 22 ); and
  • i) the electronic means ( 34 ) from the electrical near and far field signals (I 11 , I 12 ; I 21 , I 22 ) on the one hand gain the length change information and on the other hand a signal for regulating the wavelength of the coherent light source.
2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • a) die kohärente Lichtquelle als Laserdiode (24) ausge­ bildet ist;
  • b) die Wellenlänge der Laserdiode (24) über deren Be­ triebsstrom oder Temperatur von einer Laserdiodenre­ gelung (38) geregelt wird, welche ein Regelsignal aus einem Quadraturregler (37) erhält, dessen Ein­ gang wiederum mit den elektronischen Mitteln (34) in Verbindung steht; und
  • c) die Wellenlänge der Laserdiode (24) so eingeregelt wird, daß im Fernfeld zwischen den beiden interfe­ rierenden Moden ein Gangunterschied von ± pi/2 (modulo 2pi) besteht.
2. Fiber optic sensor according to claim 1, characterized in that
  • a) the coherent light source is formed as a laser diode ( 24 );
  • b) the wavelength of the laser diode ( 24 ) is controlled via its operating current or temperature by a laser diode control ( 38 ), which receives a control signal from a quadrature controller ( 37 ), the input of which is in turn connected to the electronic means ( 34 ) ; and
  • c) the wavelength of the laser diode ( 24 ) is adjusted so that there is a path difference of ± pi / 2 (modulo 2pi) in the far field between the two interfe rating modes.
3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optischen Mittel (31) 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 (33a, b, c, d) zuführen.3. Fiber optic sensor according to claim 2, characterized in that the optical means ( 31 ) from the two substructures of the near-field interference pattern and the two substructures of the far-field interference pattern optically separate a total of at least three substructures from one another and for evaluation via separate glass fibers Feed detectors ( 33 a, b, c, d). 4. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optischen Mittel (31) zur Trennung der Nah- und Fernfeldsignale (I11, I12; I21, I22) umfassen:
  • a) eine direkt am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (30) angeordnete erste Linse zur Kollimierung der aus der Zwei-Moden-Faser (30) austretenden zwei Mo­ den zu einem Parallelstrahl;
  • b) einen ersten, hinter der ersten Linse angeordneten Strahlteiler (40a), 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-Moden-Faser (30) auf das Ein­ gangsende der ersten Auskopplungsfaser abgebildet wird; und
  • d) eine dritte Linse mit zwei parallelen, nachgeordne­ ten Auskopplungsfasern, welche dritte Linse den zweiten Teilstrahl so bündelt, daß sich die Ein­ gangsenden der zwei Auskopplungsfasern noch im opti­ schen Fernfeld der Zwei-Moden-Faser (30) befindet, das Licht aber bereits effizient in die zwei Aus­ kopplungsfaser eingekoppelt wird, wobei jeweils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmu­ sters der Zwei-Moden-Faser (30) in jeweils eine der beiden Auskopplungsfasern eingekoppelt wird.
4. Fiber optic sensor according to claim 3, characterized in that the optical means ( 31 ) for separating the near and far field signals (I 11 , I 12 ; I 21 , I 22 ) include:
  • a) a directly at the output end of the two-mode fiber ( 30 ) arranged first lens for collimating the emerging from the two-mode fiber ( 30 ) two Mo to a parallel beam;
  • b) a first beam splitter ( 40 a) arranged behind the first lens, which splits the parallel beam into two partial beams;
  • c) a second lens with a downstream first coupling fiber, which second lens focuses the first of the two partial beams so that the end face of the two-mode fiber ( 30 ) is imaged on the input end of the first coupling fiber; and
  • d) a third lens with two parallel, nachgeordne th coupling fibers, which third lens bundles the second partial beam so that the input ends of the two coupling fibers is still in the optical far field of the two-mode fiber ( 30 ), but the light already is efficiently coupled into the two coupling fibers, one of the two substructures of the far field interference pattern of the two-mode fiber ( 30 ) being coupled into one of the two coupling fibers.
5. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • a) zwischen dem ersten Strahlteiler (40a) und der zwei­ ten Linse ein zweiter Strahlteiler (40b) angeordnet ist, welcher zweite Strahlteiler (40b) einen dritten Teilstrahl erzeugt; und
  • b) eine vierte Linse mit einer nachgeordneten vierten Auskopplungsfaser vorgesehen ist, welche vierte Linse den dritten Teilstrahl so fokussiert, daß die Endfläche der Zwei-Moden-Faser (30) auf das Ein­ gangsende der vierten Auskopplungsfaser abgebildet wird.
5. Fiber optic sensor according to claim 4, characterized in that
  • a) a second beam splitter ( 40 b) is arranged between the first beam splitter ( 40 a) and the second lens, the second beam splitter ( 40 b) generating a third partial beam; and
  • b) a fourth lens with a downstream fourth coupling fiber is provided, which fourth lens focuses the third partial beam so that the end face of the two-mode fiber ( 30 ) is imaged on the input end of the fourth coupling fiber.
6. Faseroptischer Sensor nach einem der beiden Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und ggf. die vierte Auskopplungsfaser jeweils Ein-Moden-Fasern (42a, b) sind, welche als räumliche Filter wirken und je­ weils eine der beiden Substrukturen des Nahfeld-Interfe­ renzmusters der Zwei-Moden-Faser (30) herausfiltern.6. Fiber optic sensor according to one of the two claims 4 and 5, characterized in that the first and possibly the fourth coupling fiber are single-mode fibers ( 42 a, b), which act as spatial filters and each because one of the two Filter out substructures of the near-field interference pattern of the two-mode fiber ( 30 ). 7. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite und ggf. die vierte Linse jeweils eine Selfoc-Linse (39a, b, d) mit einem Pitch von 0,25 und die dritte Linse eine Sel­ foc-Linse (39c) mit einem Pitch kleiner 0,25 ist.7. Fiber optic sensor according to one of claims 4 and 5, characterized in that the first and second and possibly the fourth lens each have a Selfoc lens ( 39 a, b, d) with a pitch of 0.25 and the third lens a Sel foc lens ( 39 c) with a pitch less than 0.25. 8. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Auskopplungsfaser jeweils eine Multimoden-Faser (44b, c) ist.8. Fiber-optical sensor according to one of claims 4 to 7, characterized in that the second and third coupling-out fibers are each a multimode fiber ( 44 b, c). 9. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • a) die elektronischen Mittel (34) zwei Tiefpaßfilter (49a, b) und einen Verstärker (51) mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang, sowie zwei Subtrahierer (48a, b), einen Addierer (50) und einen Dividierer (52) mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang, umfassen; wobei
  • b) auf die beiden Eingänge des ersten Subtrahierers (48a) und die beiden Eingänge des Addierers (50) die beiden elektrischen Fernfeldsignale (I21, I22) gelan­ gen, und der Ausgang des ersten Subtrahierers (48a) mit dem Eingang des ersten Tiefpaßfilters (49a) und dem ersten Eingang des Dividierers (52), und der Ausgang des Addierers (50) mit dem ersten Eingang des zweiten Subtrahierers (48b) verbunden sind;
  • c) auf den zweiten Eingang des zweiten Subtrahierers (48b) über das zweite Tiefpaßfilter (49b) und den nachgeschalteten Verstärker (51) eines der beiden elektrischen Nahfeldsignale (I11, I12) gelangt;
  • d) der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters (49a) auf den Eingang des Quadraturreglers (37) geschaltet ist;
  • e) der Ausgang des zweiten Subtrahierers (48b) mit dem zweiten Eingang des Dividierers (52) verbunden ist; und
  • f) der Ausgang des Dividierers (52) mit einem Signal­ ausgang (35) für die Abnahme des Nutzsignals in Ver­ bindung steht.
9. Fiber optic sensor according to claim 4, characterized in that
  • a) the electronic means ( 34 ) two low-pass filters ( 49 a, b) and an amplifier ( 51 ), each with an input and an output, and two subtractors ( 48 a, b), an adder ( 50 ) and a divider ( 52 ) with two inputs and one output each; in which
  • b) on the two inputs of the first subtractor ( 48 a) and the two inputs of the adder ( 50 ) gelang the two electrical far field signals (I 21 , I 22 ), and the output of the first subtractor ( 48 a) with the input of first low pass filter ( 49 a) and the first input of the divider ( 52 ), and the output of the adder ( 50 ) are connected to the first input of the second subtractor ( 48 b);
  • c) one of the two electrical near-field signals (I 11 , I 12 ) reaches the second input of the second subtractor ( 48 b) via the second low-pass filter ( 49 b) and the downstream amplifier ( 51 );
  • d) the output of the first low-pass filter ( 49 a) is connected to the input of the quadrature regulator ( 37 );
  • e) the output of the second subtractor ( 48 b) is connected to the second input of the divider ( 52 ); and
  • f) the output of the divider ( 52 ) is connected to a signal output ( 35 ) for the decrease in the useful signal.
10. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • a) die elektronischen Mittel (34) zwei Tiefpaßfilter (46a, b) mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang so­ wie zwei Subtrahierer (45a, b) und einen Dividierer (47) mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang umfassen; wobei
  • b) auf die beiden Eingänge des ersten Subtrahierers (45a) die beiden elektrischen Fernfeldsignale (I21, I22) gelangen, und der Ausgang des ersten Sub­ trahierers (45a) mit dem Eingang des ersten Tief­ paßfilters (46a) und dem ersten Eingang des Divi­ dierers (47) verbunden ist;
  • c) auf die beiden Eingänge des zweiten Subtrahierers (45b) die beiden elektrischen Nahfeldsignale (I11, I12) gelangen, und der Ausgang des zweiten Sub­ trahierers (45b) mit dem Eingang des zweiten Tief­ paßfilters (46b) verbunden ist;
  • d) der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters (46a) auf den Eingang des Quadraturreglers (37) geschaltet ist;
  • e) der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters (46b) mit dem zweiten Eingang des Dividierers (47) verbunden ist; und
  • f) der Ausgang des Dividierers (47) mit einem Signal­ ausgang (35) für die Abnahme des Nutzsignals in Ver­ bindung steht.
10. Fiber optic sensor according to claim 5, characterized in that
  • a) the electronic means ( 34 ) comprise two low-pass filters ( 46 a, b), each with one input and one output, as well as two subtractors ( 45 a, b) and a divider ( 47 ), each with two inputs and one output; in which
  • b) the two electrical far field signals (I 21 , I 22 ) arrive at the two inputs of the first subtractor ( 45 a), and the output of the first subtracter ( 45 a) with the input of the first low pass filter ( 46 a) and the first input of the divider ( 47 ) is connected;
  • c) the two electrical near-field signals (I 11 , I 12 ) arrive at the two inputs of the second subtractor ( 45 b), and the output of the second subtracter ( 45 b) is connected to the input of the second low-pass filter ( 46 b) ;
  • d) the output of the first low-pass filter ( 46 a) is connected to the input of the quadrature regulator ( 37 );
  • e) the output of the second low-pass filter ( 46 b) is connected to the second input of the divider ( 47 ); and
  • f) the output of the divider ( 47 ) is connected to a signal output ( 35 ) for the decrease in the useful signal.
11. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • a) die Zwei-Moden-Faser (30) zusammen mit dem Sensore­ lement (29) und den optische Mitteln (31) zur Tren­ nung der am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (30) auftretenden Nah- und Fernfeldsignale (I11, I12; I21, I22) einen separaten Sensorkopf (27) bildet;
  • b) die kohärente Lichtquelle, die Detektoren (33a, b, c, d) und die elektronischen Mittel (34) Teil einer separaten Sensorelektronik (25) sind;
  • c) die kohärente Lichtquelle über eine polarisationser­ haltende Ein-Moden-Faser (26) mit dem Eingangsende der Zwei-Moden-Faser (30) optisch verbunden ist; und
  • d) die Detektoren (33a, b, c, d) mit den optischen Mitteln (31) durch separate Glasfasern in Form von Multimo­ den-Fasern (32a, b, c, d) optisch verbunden sind.
11. Fiber optic sensor according to claim 1, characterized in that
  • a) the two-mode fiber ( 30 ) together with the sensor element ( 29 ) and the optical means ( 31 ) for the separation of the near and far field signals occurring at the output end of the two-mode fiber ( 30 ) (I 11 , I 12 ; I 21 , I 22 ) forms a separate sensor head ( 27 );
  • b) the coherent light source, the detectors ( 33 a, b, c, d) and the electronic means ( 34 ) are part of separate sensor electronics ( 25 );
  • c) the coherent light source is optically connected to the input end of the two-mode fiber ( 30 ) via a polarization-maintaining single-mode fiber ( 26 ); and
  • d) the detectors ( 33 a, b, c, d) are optically connected to the optical means ( 31 ) by separate glass fibers in the form of multimode fibers ( 32 a, b, c, d).
12. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Teil der Multimoden-Fasern (32a, b, c, d) vollständig durch Ein-Moden-Fasern ersetzt ist.12. Fiber optic sensor according to claim 11, characterized in that part of the multimode fibers ( 32 a, b, c, d) is completely replaced by single-mode fibers.
DE19914115370 1991-05-10 1991-05-10 Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector Withdrawn DE4115370A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19914115370 DE4115370A1 (en) 1991-05-10 1991-05-10 Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector
CH137092A CH683471A5 (en) 1991-05-10 1992-04-28 Fiberoptic Sensor.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19914115370 DE4115370A1 (en) 1991-05-10 1991-05-10 Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE4115370A1 true DE4115370A1 (en) 1992-11-26

Family

ID=6431443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19914115370 Withdrawn DE4115370A1 (en) 1991-05-10 1991-05-10 Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector

Country Status (2)

Country Link
CH (1) CH683471A5 (en)
DE (1) DE4115370A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343036A (en) * 1992-05-15 1994-08-30 Asea Brown Boveri Ltd. Optical measurement of electrical quantities using inverse piezoelectric effect with dual double-mode fiber
DE19743658A1 (en) * 1997-10-02 1999-04-08 Abb Research Ltd Fiber optic voltage sensor for outdoor high voltage systems
EP3951404A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-09 Hitachi Energy Switzerland AG Fiber-optical voltage sensor

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2945019A1 (en) * 1978-11-16 1980-05-29 Asea Ab FIBER OPTICAL MEASURING DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL SIZES
DE2856183A1 (en) * 1978-12-27 1980-07-10 Aeg Telefunken Kabelwerke Mechanical or thermo-optical transducer with dielectric waveguide - is coiled around measurement body and uses waveguide attenuation load variation
US4319186A (en) * 1978-05-05 1982-03-09 National Research Development Corporation Signal sensors
DE3325945A1 (en) * 1982-08-03 1984-02-09 Int Standard Electric Corp Fibre-optical sensor and a sensor device containing the former
US4477723A (en) * 1981-11-04 1984-10-16 Optical Technologies, Inc. Fiber optic electric field sensor/phase modulator
DE3638345A1 (en) * 1986-11-10 1988-05-19 Felten & Guilleaume Energie SETUP AND USE OF A WAVE GUIDE SENSOR FOR MINIMUM EXPANSION
EP0316635A1 (en) * 1987-11-13 1989-05-24 ABB Management AG Optical fibre voltage sensor
EP0316619A1 (en) * 1987-11-05 1989-05-24 Asea Brown Boveri Ag Optical-fibre sensor
US4899042A (en) * 1987-11-17 1990-02-06 The Boeing Company Integrated optic field sensor consisting of an interferometer formed in substrate
DE3923804A1 (en) * 1989-07-19 1991-01-31 Messwandler Bau Ag FIBER OPTICAL ARRANGEMENT FOR MEASURING THE STRENGTH OF AN ELECTRIC CURRENT
DE4025911A1 (en) * 1989-09-25 1991-04-04 Asea Brown Boveri ARRANGEMENT FOR TENSION MEASUREMENT IN A GIS SYSTEM

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4319186A (en) * 1978-05-05 1982-03-09 National Research Development Corporation Signal sensors
DE2945019A1 (en) * 1978-11-16 1980-05-29 Asea Ab FIBER OPTICAL MEASURING DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL SIZES
DE2856183A1 (en) * 1978-12-27 1980-07-10 Aeg Telefunken Kabelwerke Mechanical or thermo-optical transducer with dielectric waveguide - is coiled around measurement body and uses waveguide attenuation load variation
US4477723A (en) * 1981-11-04 1984-10-16 Optical Technologies, Inc. Fiber optic electric field sensor/phase modulator
DE3325945A1 (en) * 1982-08-03 1984-02-09 Int Standard Electric Corp Fibre-optical sensor and a sensor device containing the former
DE3638345A1 (en) * 1986-11-10 1988-05-19 Felten & Guilleaume Energie SETUP AND USE OF A WAVE GUIDE SENSOR FOR MINIMUM EXPANSION
EP0316619A1 (en) * 1987-11-05 1989-05-24 Asea Brown Boveri Ag Optical-fibre sensor
US4929830A (en) * 1987-11-05 1990-05-29 Asea Brown Boveri Ag Fiber-optic electric field sensor with piezoelectric body sensor
EP0316635A1 (en) * 1987-11-13 1989-05-24 ABB Management AG Optical fibre voltage sensor
US4899042A (en) * 1987-11-17 1990-02-06 The Boeing Company Integrated optic field sensor consisting of an interferometer formed in substrate
DE3923804A1 (en) * 1989-07-19 1991-01-31 Messwandler Bau Ag FIBER OPTICAL ARRANGEMENT FOR MEASURING THE STRENGTH OF AN ELECTRIC CURRENT
DE4025911A1 (en) * 1989-09-25 1991-04-04 Asea Brown Boveri ARRANGEMENT FOR TENSION MEASUREMENT IN A GIS SYSTEM

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BOHNERT,K. *
BOHNERT,K.M. *
et.al.: Use of highly elliptical core fibers for two-mode fiber devices. In: Optical Society of America, Vol.12,No.9,Sept.1987, S.729 ff *
KIM, B.Y. *
NEHRING,J.: Fiber-optic sensing of electric field components. In: APPLIED OPTICS, Vol.27,No.23, 1 Dec.1988, S.4814 ff *
NEHRING,J.: Fiber-optic sensing of voltages by line integration of the electric fieldIn: OPTICS LETTERS,Vol.14,No.5,March 1,1989, S.290 ff *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343036A (en) * 1992-05-15 1994-08-30 Asea Brown Boveri Ltd. Optical measurement of electrical quantities using inverse piezoelectric effect with dual double-mode fiber
DE19743658A1 (en) * 1997-10-02 1999-04-08 Abb Research Ltd Fiber optic voltage sensor for outdoor high voltage systems
US6140810A (en) * 1997-10-02 2000-10-31 Abb Research Ltd. Fiber-optic voltage sensor for outdoor high-voltage installations
DE19743658B4 (en) * 1997-10-02 2007-02-08 Abb Research Ltd. Fiber optic voltage sensor
EP3951404A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-09 Hitachi Energy Switzerland AG Fiber-optical voltage sensor
WO2022029046A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-10 Hitachi Energy Switzerland Ag Fiber-optical voltage sensor

Also Published As

Publication number Publication date
CH683471A5 (en) 1994-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0569700B1 (en) Optical fiber sensor
EP0706661B1 (en) Optical method of measuring an alternating electrical current, including temperature compensation, and a device for carrying out the method
DE10145912A1 (en) Fiber optic interferometric sensor, signal processing system of a fiber optic interferometric sensor and storage medium
WO2010006764A2 (en) Fibre-optic multiwavelength interferometer (mwli) for the absolute measurement of distances and topologies for surfaces at a large operating distance
EP3447441B1 (en) Device for interferometric distance measurement
EP2808644B1 (en) Optical interferometer and vibrometer with such an optical interferometer
DE19823951A1 (en) Focus sensor for high energy lasers
DE60118871T2 (en) A light wavelength measuring device and method using a two-beam interferometer
DE19628200B4 (en) Apparatus for performing interferometric measurements
EP1546646A1 (en) Interferometric measuring device
EP0866974B1 (en) Optical measuring process and optical measuring arrangement for measuring an alternating quantity with intensity scaling
EP0612976B1 (en) Phase modulated interferometer
EP0529339B1 (en) Fibre optic sensor
DE102004053082A1 (en) Position measuring system
DE3726411A1 (en) Fibre-optic magnetic field sensor
DE4115370A1 (en) Fibre=optic sensor for alternating electric fields or voltages - has piezoelectric element with attached optical fibre carrying two coherent light modes, and also fibre length variation detector
EP0864098B1 (en) Process and device for measuring a quantity, in particular an electric current, with a high measurement resolution
DE4114253A1 (en) FIBER OPTICAL SENSOR
DE202018006722U1 (en) Distance measuring arrangement for determining a distance to an object
DE4116039A1 (en) INTERFEROMETRIC METHOD AND INTERFEROMETER FOR CARRYING OUT THE SAME
EP1186896B1 (en) Electro-optical method and apparatus for measuring an electrical voltage
DE19548158A1 (en) Very small optical measuring head for laser Doppler vibrometer
DE2634210C2 (en) Interferometer
CH671638A5 (en) Optical fibre current transducer using Sagnac interferometer - has two polarised partial beams fed through current sensor coil in opposing directions
EP1368667B1 (en) Method and device for current measurement by means of fibre-optic in-line sagnac interferometer and phase modulator suitable for the above

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
8128 New person/name/address of the agent

Representative=s name: LUECK, G., DIPL.-ING. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 7976

8141 Disposal/no request for examination