DE4129359C2

DE4129359C2 - Laserinterferometrischer Sensor

Info

Publication number: DE4129359C2
Application number: DE19914129359
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Ing Fuesl; Gerd Prof Dr Ing Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-04
Filing date: 1991-09-04
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2011-09-05
Also published as: DE4129359A1

Description

Die Erfindung betrifft einen laserinterferometrischen Sensor, der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Es ist bekannt, laserinterferometrische Sensoren zur Erfassung mechanischer Größen einzusetzen.

Gegenüber elektrischen Sensoren zur Erfassung nichtelektrischer Größen besitzen laserinterferometrische Sensoren die Vorteile einer hohen Auflösung, elektromagnetischer Störsicherheit und einer elektronikfreien, reinoptischen Sensorkonzeption.

Der in der Patentschrift DD 262 981 A3 beschriebene Sensor er faßt Beschleunigungen und Neigungen, wobei die Auslenkung zweier separater Biegeelemente mit seismischer Masse interferometrisch erfaßt wird. Die angegebene Lösung führt allerdings aufgrund der nicht gekoppelten Biegeelemente zu erhöhter Quer- und Torsions empfindlichkeit. Desweiteren ist zur Umlenkung der Teilstrahlen des Interferometers ein zusätzliches Umlenkprisma notwendig.

In der Patentschrift US 307 3 168 wird ein interferometrischer Beschleunigungssensor mit Parallelfederführung beschrieben. Die Lösung beinhaltet jedoch aufgrund der Verwendung eines konven tionellen Interferometers einen unsymmetrischen Sensoraufbau. Diesen Mangel, der zu erhöhter Temperaturempfindlichkeit führt, besitzt auch der in der Patentschrift US 294 8 152 angeführte Vorschlag.

Nach DE 36 21 876 A1 ist ein Druckmeßwandler zur hochgenauen Druck messung in Gasen und Flüssigkeiten bekannt, bei dem an den Enden einer Bourdonfeder kippinvariante Reflektoren eines Interferometers angebracht sind, die als Tripelprismen ausgeführt sind und bei dem das Interferometer einen aus zwei Prismen bestehenden optischen Teiler enthält.

Ferner ist in DE 30 12 811 ein Meßwandler, der insbesondere zur digitalen Kraftwandlung vorgesehen ist, beschrieben. Bei diesen Meßwandler ist an einem Grundkörper das eine Ende einer Schraubenfeder befestigt, während das andere Ende mit einem drehbar im. Grundkörper gelagerten Teil verbun den ist. Im Zentrum der Schraubenfeder ist ein Interferometer angeordnet, wobei der optische Teiler mit dem Grundkörper und ein kippinvarianter Reflektor fest mit dem drehbar gelagerten Teil verbunden sind.

Mit dem Grundkörper fest verbunden ist eine Teilergrundplatte und ein Umlenkprisma. An einem drehbar am Grundkörper gelagerten Teil ist ein kippinvarianter Reflektor befestigt. Der optische Teiler besteht aus der Teilergrundplatte und zwei an dieser Teilergrundplatte angesprengten Teiler platten, deren freie Oberflächen teilverspiegelt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weitgehend tem peraturunempfindlichen interferenzoptischen Sensor mit geringer Torsions- und Querempfindlichkeit zur Erfassung von Beschleuni gungen und Neigungswinkeln zu schaffen, der ein einfaches Inter ferometer enthält und vollständig lichtwellenleitergekoppelt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch Gelöst, daß auf einem symmetrischen Verformungskörper, beispielsweise einer Parallel federführung, ein symmetrisches Interferometer befestigt ist, mit dessen Hilfe die Deformation des Verformungskörpers gemessen wird.

Der Verformungskörper kann aus zwei Biegeelementen und zwei Koppeln bestehen, wobei die Biegeelemente an ihren Verbindungs stellen zu den Koppeln zweckmäßigerweise eine Materialverstär kung aufweisen. Eine der beiden Koppeln wird fest mit einer Grundplatte verbunden, die den Strahlteiler des Interferometers trägt. An der zweiten, über die Biegeelemente beweglichen Kop pel, sind zwei kippinvariante Reflektoren befestigt.

Der Verformungskörper, bestehend aus Koppeln und Biegeelementen kann auch aus einem Stück gefertigt sein. Als Material wird zweckmäßigerweise hochwertiges elastisches Material, beispiels weise Quarzglas, verwendet.

Das Interferometer besteht aus einem Strahlteiler mit Verspiege lungen und zwei vorzugsweise kippinvarianten Reflektoren.

Der Strahlteiler besteht erfindungsgemäß aus zwei geometrisch gleichen Prismen mit rhombischer Grundfläche, deren Verbindungs fläche die Teilerschicht trägt. Der spitze Winkel der Prismen beträgt 60 Grad.

Nach der Strahlteilung in der Teilerschicht und jeweils einer Totalreflektion treten die Teilstrahlen im Winkel Von 180 Grad zueinander aus dem Strahlteiler aus und werden von Zwei mit dem beweglichen Teil des Verformungskörpers fest verbundenen Reflek toren zum Strahlteiler zurückreflektiert. Dort treffen die Teil strahlen auf Oberflächenspiegel, die die Strahlen zurücklaufen lassen, um in der Teilerschicht miteinander zu interferieren. Das Interferenzbild kann am Ausgang des Strahlteilers beispiels weise mit Hilfe von Lichtwellenleitern abgetastet werden.

Eine Deformation des Verformungskörpers führt über die gekoppel te Bewegung der kippinvarianten Reflektoren zu entgegengesetzten Gangunterschieden in den Interferometerarmen, wodurch eine dop pelte Empfindlichkeit erreicht wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß monochromatisches und breitbandiges Licht im gleichen Interfero meter zwei Interferenzbilder erzeugt, wobei das Interferenzbild des breitbandigen Lichtes zur Steuerung des Zählvorganges der monochromatischen Interferenzstreifen dienen kann.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an einem Ausführungsbei spiel erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen laserinterferometrischen Sensor, bestehend aus Verformungskörper, Interferometer und Lichtwellenleiterbe leuchtungs- und Lichtwellenleiterabtasteinheit. Der Verformungs körper wird von einem Blattfederpaar 1, einer mit der Grundplat te 3 fest verbundenen Koppel 2.1 und durch eine freie Koppel 2.2 gebildet. Das Interferometer zur Erfassung der Auslenkung der freien Koppel 2.2 besteht aus einem Strahlteiler 4 und zwei kippinvarianten Reflektoren 8, wobei der Strahlteiler 4 fest mit der Grundplatte 3 und die kippinvarianten Reflektoren 8 fest mit der freien Koppel verbunden sind. Ebenfalls auf der Grundplatte 3 sind die Lichtwellenleiterbeleuchtungseinheit 9 und die Licht wellenleiterabtasteinheit 10 befestigt, die ihrerseits über Lichtwellenleiter 11, 12 mit einer nicht dargestellten Auswerte einheit bzw. mit den Lichtquellen verbunden sind.

Der Strahlteiler 4 besteht aus zwei gleichen Prismen 4.1 und 4.2 mit rhombischer Grundfläche. Die Verbindungsfläche der beiden Prismen trägt die Teilerschicht 5. An den sich gegenüberliegen den Teilstrahlaustrittflächen sind Entspiegelungen 7 und Ver spiegelungen 6 angebracht.

Das Interferometer wird über die Lichtwellenleiterbeleuchtungs einheit 9 mit Laserlicht und mit Weißlicht beleuchtet. Im Inter ferometer entstehen zwei Interferenzbilder, die über eine Licht wellenleiterabtasteinheit 10 abgetastet werden.

Nach der Teilung der jeweiligen Strahlbündel an der Teiler schicht 5 erfahren die Teilstrahlen in den Prismen 4.1 und 4.2 eine Totalreflektion, wodurch eine Strahlumlenkung von 180 Grad zueinander erreicht wird. Die Teilstrahlen verlassen den Strahl teiler durch die Entspiegelungen 7, werden von den kippinvarian ten Reflektoren 8 parallel versetzt zum Strahlteiler 4 zurückge worfen und treffen dort auf die Verspiegelungen 6. Nach erfolg ter Reflexion laufen die Teilstrahlbündel den soeben beschriebe nen Weg zurück und interferieren nach ihrer Überlagerung durch die Teilerschicht 5.

Unter dem Einfluß einer Meßgröße lenkt die freie Koppel 2.2 mit den kippinvarianten Reflektoren 8 aus. Die Interferometerteil strahlen erfahren dadurch entgegengesetzte Gangunterschiede, und die auswandernden Interferenzstreifen können nach bekannter Art in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit gezählt werden. Der Zählvorgang kann zusätzlich mit Hilfe der Weißlichtinterfero grammsignale gesteuert werden.

Claims

1. Laserinterferometrischer Sensor, insbesondere zur Messung von Beschleunigungen und Neigungen, bestehend aus einem Verfor mungskörper, einem Interferometer mit Strahlteiler und zwei kippinvarianten Reflektoren, einer Lichtwellenleiterbeleuch tungs- und Lichtwellenleiterabtasteinheit für monochromati sches und breitbandiges Licht sowie einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper aus über zwei Koppeln (2.1) und (2.2) verbundenen Biegeelementen (1) besteht, wobei eine Koppel (2.1) fest mit einer Grundplatte (3) verbunden ist, auf der der Strahlteiler (4) und die Lichtwellenleiterbeleuchtungs- und -abtasteinheit (9) und (10) befestigt sind und daß die zweite, über die Biegeelemen te (1) verbundene freie Koppel (2.2), zwei kippinvariante Re flektoren (8) trägt.

2. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4) aus zwei verbunde nen, geometrisch gleichen Prismen (4.1) und (4.2) mit rhombi scher Grundfläche besteht, deren Verbindungsfläche eine Tei lerschicht (5) trägt und deren spitzer Winkel 60 Grad beträgt und daß die der Teilerschicht jeweils gegenüberliegenden Prismenflächen auf der an den stumpfen Winkeln der Prismen angrenzenden Hälfte eine Verspiegelung (6) und eine Strahlein- und -austrittsfläche (7) tragen.

3. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die Strahlein- und -austrittsflä chen (7) entspiegelt sind.

4. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 2 oder 3 da durch gekennzeichnet, daß die kippinvarianten Reflektoren (8) den Verspiegelungen (6) und den Strahlein- und -austrittsflächen (7) jeweils gegenüber angeordnet sind.

5. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 1 da durch gekennzeichnet, daß die kippinvarianten Reflektoren (8) fest mit der freien Koppel (2.2) verbunden sind.

6. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeelemente (1) und die Koppeln (2.1) und (2.2) aus einem Körper hergestellt sind.

7. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Koppeln und Biegeelemente aus miteinander verbundenen Körpern gleichen Materials oder aus verschiedenen Materialien mit gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.

8. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeelemente (1) an ihren Enden Verstärkungen aufweisen, über die sie mit den Koppeln (2.1) und (2.2) verbunden sind.

9. Laserinterferometrischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer mit monochromatischem und mit breitbandigem Licht über Lichtwellenleiter (11) be leuchtet wird und daß die Interferenzbilder über Lichtwellen leiter (12) abgetastet werden.