DE4132113A1 - Strain measurement pick=up for weighing appts. - operates on interferometer principle, and amplifies change in optical guide length by multiple reflections of beam - Google Patents
Strain measurement pick=up for weighing appts. - operates on interferometer principle, and amplifies change in optical guide length by multiple reflections of beamInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, insbesondere Dehnungen, mit einem Inter ferometer, dessen Meßlichtstrahl eine von der zu messenden Größe abhängige Länge aufweist.The invention relates to a sensor for length or Distance changes, especially strains, with an inter ferometer, whose measuring light beam is one of those to be measured Has size dependent length.
Aus dem Aufsatz "Integriert-optische Sensoren für die Weg-, Kraft- und Brechungsindexmessung auf der Basis von Silizium" von G. Ulbers, erschienen in der Zeitschrift "Technisches Messen" 58 (1991) 4 ist bekannt, ein Michelson-Interferometer mit Hilfe der integrierten Optik auf Silizium zu realisieren. Das Interferometer besteht aus einem geätzten Strahlteiler, der einen auftreffenden Laserlichtstrahl in einen Referenzlicht strahl und einen Meßlichtstrahl aufteilt, einem Spiegel, der den Referenzlichtstrahl in sich selbst zurückwirft, einem Phasenschieber im Referenzlichtstrahl und einer kollimierenden Linse im Laserlichtstrahl. Alle Elemente sind auf einem Sili ziumtyp mit einer Dimension von 7,5×7,5 mm2 realisiert. Der Chip ist auf einem Träger befestigt, der auch als Träger für eine Fotodiode und einen Halbleiterlaser dient. Der Meßlicht strahl tritt am Ausgang des Chips in einem relativ großen Winkel aufgefächert ist, wird von einem im zu messenden Abstand angeordneten Spiegel zurückgeworfen und tritt wieder in das Interferometer ein. Mit einer Gradientenlinse direkt hinter dem Ausgang wird zwar eine Verengung des Winkels erreicht, jedoch bleibt der Nachteil, daß die reflektierte Lichtintensität sehr stark von der Länge des Meßlichtstrahls abhängt und damit den Signalstörabstand reduziert. Zudem ist eine exakte Justage des außerhalb des Chips liegenden Spiegels für den Meßlichtstrahl erforderlich.A Michelson interferometer with the help of the article "Integrated optical sensors for displacement, force and refractive index measurement on the basis of silicon" by G. Ulbers, published in the journal "Technisches Messen" 58 (1991) 4, is known the integrated optics on silicon. The interferometer consists of an etched beam splitter that splits an incident laser light beam into a reference light and a measuring light beam, a mirror that reflects the reference light beam back into itself, a phase shifter in the reference light beam, and a collimating lens in the laser light beam. All elements are realized on a silicon type with a dimension of 7.5 × 7.5 mm 2 . The chip is attached to a carrier, which also serves as a carrier for a photodiode and a semiconductor laser. The measuring light beam occurs at the exit of the chip at a relatively large angle, is reflected by a mirror arranged at the distance to be measured and enters the interferometer again. With a gradient lens directly behind the output, the angle is narrowed, but the disadvantage remains that the reflected light intensity depends very much on the length of the measuring light beam and thus reduces the signal-to-noise ratio. In addition, an exact adjustment of the mirror lying outside the chip is required for the measuring light beam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, insbesondere Dehnungen, mit einem Interferometer zu schaffen, bei dem die Lichtintensi tät des zur Interferenz gebrachten Meßlichtstrahls weitgehend unabhängig von seiner Länge ist und der somit einen guten Si gnalstörabstand aufweist.The invention has for its object a sensor for changes in length or distance, especially strains, to create with an interferometer, in which the light intensity act largely to the interference of the measuring light beam is independent of its length and is therefore a good Si signal-to-noise ratio.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Meßaufnehmer der eingangs genannten Art das im kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 genannte Merkmal auf. In den Ansprüchen 3 bis 8 sind besondere Ausführungsformen des Meßaufnehmers beschrieben, bei denen der Meßlichtstrahl in einem dünnen, flächenhaft ausge bildeten Substrat nach Anspruch 2 geführt wird, während in den Ansprüchen 10 bis 12 Ausführungsarten mit einem Lichtwellen leiter als elastischem Lichtleiter gemäß Anspruch 9 angegeben sind.To solve this problem, the new sensor has the type mentioned in the characterizing part of the An claim 1 mentioned feature. In claims 3 to 8 are special embodiments of the sensor described, at which the measuring light beam out in a thin, areal formed substrate is performed according to claim 2, while in the Claims 10 to 12 embodiments with a light wave conductor indicated as an elastic light guide according to claim 9 are.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine Justage optischer Ele mente, wie z. B. eines Spiegels oder eines Tripelprismas zur Reflexion des Meßlichtstrahls, nicht erforderlich ist. Diese Elemente sind erfindungsgemäß am Substrat oder am Lichtwellen leiter angeordnet und haben damit eine fest vorgegebene Posi tion zum Meßlichtstrahl. Auf diese Weise können zudem auch keine Schwankungen der reflektierten Lichtintensität aufgrund einer Verschmutzung dieser Elemente entstehen. Das Interfero meter und der Weg des Meßlichtstrahls in einem Lichtleiter bilden ein robustes, geschlossenes System, das nicht zwangs läufig gegen äußere Umwelteinflüsse abgeschirmt werden muß. Der Lichtleiter kann wie ein Dehnungsmeßstreifen direkt auf die Stellen appliziert werden, deren Oberflächendehnungen gemessen werden sollen. Zur Verstärkung des Meßeffekts kann der Meß lichtstrahl mehrfach umgelenkt werden, wodurch sich eine Län genänderung des Meßlichtstrahls ergibt, die ein Vielfaches der Längenänderung des Trägers aufgrund seiner Dehnung beträgt. Da der Meßlichtstrahl in einem Lichtleiter geführt ist, ist diese Maßnahme lediglich mit einer unerheblichen Verringerung des Signalstörabstandes verbunden. Gegenüber herkömmlichen resi stiven Dehnungsmeßstreifen hat der neue Meßaufnehmer bei Appli kation auf einer Feder den Vorteil, daß durch die hohe Auflö sung des interferometrischen Meßverfahrens bereits sehr geringe Dehnungen der Feder meßbar sind und somit die Beanspruchung des Federwerkstoffs erheblich reduziert wird. Zudem tritt keine Störbeeinflussung durch elektromagnetische Felder auf. Wenn das Interferometer und der Lichtleiter für den Meßlichtstrahl auf einem Silizium-Chip zusammengefaßt werden, so können auf dem gleichen Chip auch der Detektor und die Signalauswertung in bekannter Siliziumtechnik integriert werden. Ein derartiger Meßaufnehmer kann in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden.The invention has the advantage that an adjustment of optical ele elements such as B. a mirror or a triple prism Reflection of the measuring light beam is not necessary. These According to the invention, elements are on the substrate or on light waves arranged ladder and thus have a fixed position tion to the measuring light beam. This way you can also no fluctuations in the reflected light intensity due to contamination of these elements. The interfero meters and the path of the measuring light beam in a light guide form a robust, closed system that does not necessarily must be shielded against external environmental influences. The Like a strain gauge, the light guide can be attached directly to the Places are applied whose surface strains are measured should be. To enhance the measuring effect, the measuring beam can be deflected several times, creating a length gene change of the measuring light beam, which is a multiple of Change in length of the carrier due to its elongation is. There the measuring light beam is guided in a light guide, this is Measure only with an insignificant reduction in Signal to noise ratio connected. Compared to conventional resi The new sensor at Appli has stive strain gauges cation on a spring the advantage that the high resolution solution of the interferometric measuring method is already very low Strains of the spring are measurable and thus the stress on the Spring material is significantly reduced. In addition, none occurs Interference caused by electromagnetic fields. If that Interferometer and the light guide for the measuring light beam a silicon chip can be summarized, so on the same chip also the detector and the signal evaluation in known silicon technology can be integrated. Such one Sensor can be manufactured inexpensively in large quantities will.
Anhand der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Using the drawings, in which three embodiments of the Invention are shown below, the invention as well as configurations and advantages explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen integriert-optischen Meßaufnehmer mit einfachem Meßlichtstrahl, Fig. 1 is an integrated-optical transducer with a simple measuring light beam,
Fig. 2 einen integriert-optischen Meßaufnehmer mit mehrfach umgelenktem Meßlichtstrahl und Fig. 2 shows an integrated optical sensor with multiple deflected measuring light beam and
Fig. 3 einen Meßaufnehmer mit getrenntem Lichtleiter. Fig. 3 shows a sensor with a separate light guide.
Der integriert-optische Meßaufnehmer in Fig. 1 ist auf einem Silizium-Chip 13 realisiert. Von außen wird in das integriert- optische Interferometer ein von einem Halbleiterlaser 1 erzeug ter Laserstrahl eingespeist. Intern ist im Weg des Laserstrahls vor einem Strahlteiler 2 eine kollimierende Linse 3 angeordnet. Ein erster Teil des Laserlichts tritt durch den Strahlteiler 2 hindurch und bildet einen Meßlichtstrahl 4, während ein zweiter Teil des Laserlichts an dem Strahlteiler 2 reflektiert wird und als Referenzlichtstrahl 5 senkrecht zum Meßlichtstrahl 4 ver läuft. Im Weg des Referenzlichtstrahls 5 ist ein Phasenschie ber 6 angeordnet, der sich vor einem Spiegel 7 befindet, mit dem der Referenzlichtstrahl 5 auf den Strahlteiler 2 zurück geworfen wird. Der Meßlichtstrahl 4 wird ebenfalls durch einen senkrecht zum Lichtweg angeordneten Spiegel 8 in sich selbst zurückgeworfen und trifft wieder auf dem Strahlteiler 2 auf. Hier wird ein Teil des Lichts reflektiert und interferiert mit dem Teil des Referenzlichtstrahls 5, der den Strahlteiler 2 durchtritt. Je nach Phasenlage der beiden Lichtanteile führt die Interferenz zu einer Anhebung oder Abschwächung der Licht intensität an einem Detektor 9. Ändert sich der Abstand L zwischen Strahlteiler 2 und Spiegel 8, also die Länge des Meßlichtstrahls 4, so ist an dem Detektor 9 ein Signal ab nehmbar, das der Längen- oder Abstandsänderung entspricht. Auf diese Weise ist mit dem Meßaufnehmer eine Dehnung in Richtung des Meßlichtstrahls 4 meßbar.The integrated optical sensor in FIG. 1 is implemented on a silicon chip 13 . A laser beam generated by a semiconductor laser 1 is fed into the integrated optical interferometer from the outside. Internally, a collimating lens 3 is arranged in front of a beam splitter 2 in the path of the laser beam. A first part of the laser light passes through the beam splitter 2 and forms a measuring light beam 4 , while a second part of the laser light is reflected on the beam splitter 2 and runs vertically to the measuring light beam 4 as a reference light beam 5 . In the path of the reference light beam 5 , a phase shifter 6 is arranged, which is located in front of a mirror 7 with which the reference light beam 5 is thrown back onto the beam splitter 2 . The measuring light beam 4 is also reflected back into itself by a mirror 8 arranged perpendicular to the light path and strikes the beam splitter 2 again. Here, part of the light is reflected and interferes with the part of the reference light beam 5 that passes through the beam splitter 2 . Depending on the phase position of the two light components, the interference leads to an increase or decrease in the light intensity at a detector 9 . If the distance L between the beam splitter 2 and the mirror 8 changes , that is to say the length of the measuring light beam 4 , a signal can be taken from the detector 9 which corresponds to the change in length or distance. In this way, an elongation in the direction of the measuring light beam 4 can be measured with the measuring sensor.
Das integriert-optische Interferometer kann direkt wie ein Dehnungsmeßstreifen appliziert werden. Da der Referenzlicht strahl 5 senkrecht zum Meßlichtstrahl 4 geführt ist, wirken sich Dehnungen in Richtung des Meßlichtstrahls 4 nicht auf die Länge des Referenzlichtstrahls 5 aus. Das integriert-optische Interferometer in Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten, jedoch sind hier zusätzlich im Weg des Meßlichtstrahls 4 zwei parallele Spiegel 10 und 11 angeordnet. Diese Spiegel 10 und 11 sind fast senkrecht zum Meßlichtstrahl 4 ausgerichtet, so daß dieser mehrfach zwischen ihnen hin- und herläuft, aber durch sie nicht in sich selbst zurückgeworfen wird. Dies geschieht erst an dem senkrecht zum Meßlichtstrahl 4 angeordneten Spiegel 15. Durch diese Mehrfachumlenkung wird eine Erhöhung der Auflösung des Meßaufnehmers erreicht. Die Spiegel 10 und 11 müssen nicht in Segmente unterteilt sein, wie es in dem Ausführungsbeispiel dargestellt ist, sondern es kann bei Verwendung eines fokussierten Meßlichtstrahls 4 vorteilhaft sein, ihn zwischen zwei parallelen, zusammenhängenden Spiegel flächen hin- und herlaufen zu lassen. Die Anzahl der Umlen kungen wird dann durch die Neigung und Breite der Spiegel 10 und 11 bestimmt.The integrated optical interferometer can be applied directly like a strain gauge. Since the reference light beam 5 is guided perpendicular to the measuring light beam 4 , strains in the direction of the measuring light beam 4 do not affect the length of the reference light beam 5 . The integrated optical interferometer in FIG. 2 essentially corresponds to that shown in FIG. 1, but here two parallel mirrors 10 and 11 are additionally arranged in the path of the measuring light beam 4 . These mirrors 10 and 11 are aligned almost perpendicular to the measuring light beam 4 , so that the latter travels back and forth several times between them, but is not reflected back into itself by them. This only happens at the mirror 15 arranged perpendicular to the measuring light beam 4 . This multiple deflection increases the resolution of the sensor. The mirrors 10 and 11 do not have to be divided into segments, as is shown in the exemplary embodiment, but it can be advantageous when using a focused measuring light beam 4 to let it run back and forth between two parallel, contiguous mirrors. The number of deflections is then determined by the inclination and width of the mirrors 10 and 11 .
Fig. 3 zeigt einen Meßaufnehmer, bei dem das Interferometer und der Lichtleiter für den Meßlichtstrahl 4 auf zwei räumlich voneinander getrennten Silizium-Chip 14 und 16 angeordnet sind. Die Übertragung des Meßlichtstrahls 4 erfolgt mit einem Licht wellenleiter 12, der sowohl am Silizium-Chip 14 als auch am Silizium-Chip 16 angeschlossen ist. Bei diesem Ausführungsbei spiel wird lediglich der Lichtleiter, der den Meßlichtstrahl 4 führt, am Ort der zu messenden Dehnung befestigt und die übri gen Teile des Meßaufnehmers an einem dehnungsneutralen Ort. Querdehnungen haben somit keinen Einfluß auf die Länge des Referenzlichtstrahls 5. Falls erforderlich, kann zur Kompen sation von Temperatureinflüssen auch der Referenzlichtstrahl 5 in einem getrennten, dem Lichtleiter des Meßlichtstrahls 4 ent sprechenden Lichtleiter geführt werden, der dann ebenfalls an einem dehnungsneutralen Ort angeordnet ist. Fig. 3 shows a measuring transducer, wherein the interferometer and the optical waveguide for the measuring light beam 4 in two spatially separate silicon chip are arranged 14 and 16. The transmission of the measuring light beam 4 takes place with a light waveguide 12 which is connected to both the silicon chip 14 and the silicon chip 16 . In this game Ausführungsbei only the light guide, which leads the measuring light beam 4 , attached to the location of the strain to be measured and the rest of the parts of the sensor at a strain-neutral location. Lateral strains therefore have no influence on the length of the reference light beam 5 . If necessary, to compensate for the effects of temperature, the reference light beam 5 can be guided in a separate light guide, which corresponds to the light guide of the measuring light beam 4 and is then also arranged at a strain-neutral location.
Das Interferomter kann, wie bereits beschrieben, auf einem Trägermaterial, z. B. Silizium, Glas oder Lithiumniobad, inte griert und dann auf die zu messenden Stellen appliziert werden oder alternativ in Dickschicht oder Dünnfilmtechnologie direkt auf einer Meßfeder realisiert werden. Es ist weiterhin möglich, den Meßlichtstrahl in einem Lichtwellenleiter zu führen, wobei dann die Spiegel 10 und 11 in Fig. 3 entfallen und die Umlen kung des Meßlichtstrahls 4 durch Krümmungen des Lichtwellen leiters erreicht werden. Zur besseren Handhabung ist der Licht wellenleiter auf einem elastischen Träger aufgebracht.The interferometer can, as already described, on a carrier material, for. As silicon, glass or lithium niobath, inte grated and then applied to the points to be measured or alternatively realized in thick film or thin film technology directly on a measuring spring. It is also possible to guide the measuring light beam in an optical waveguide, in which case the mirrors 10 and 11 in FIG. 3 are omitted and the deflection of the measuring light beam 4 can be achieved by curvatures of the optical waveguide. For better handling, the light waveguide is applied to an elastic support.
Wird bei dem in Fig. 3 dargestellten Lichtleiter auf den senk recht zum Meßlichtstrahl 4 angeordneten Spiegel 15 verzichtet, so erhält man einen Lichtleiter, der zusätzlich zum Lichtein tritt auch einen Lichtaustritt aufweist. Mehrere derartige Lichtleiter können mit Lichtwellenleitern untereinander ver bunden und an ein gemeinsames Interferometer angeschlossen werden. Der Meßlichtstrahl wird entweder am letzten Element mit einem Spiegel 15 in sich selbst zurückgeworfen oder mit einem weiteren Lichtwellenleiter in das Interferometer eingekoppelt.If the light guide shown in FIG. 3 is dispensed with the mirror 15 arranged perpendicular to the measuring light beam 4 , a light guide is obtained which, in addition to the light input, also has a light exit. Several such light guides can be connected to each other with optical fibers and connected to a common interferometer. The measuring light beam is either thrown back on itself at the last element with a mirror 15 or coupled into the interferometer with a further optical waveguide.
Die erfindungsgemäßen Meßaufnehmer sind praktisch überall dort einsetzbar, wo bisher resistive Dehnungsmeßstreifen Verwendung gefunden haben. Insbesondere bietet sich ihr Einsatz in Wäge systemen an, bei denen die Kraftwirkung eines Wägegutes über ein mechanisches Krafteinleitungssystem auf einen Verformungs körper geleitet wird, dessen Oberflächendehnung ein Maß für das Gewicht des Wägegutes ist.The sensors according to the invention are practically everywhere there can be used where previously used resistive strain gauges have found. Their use in weighing is particularly useful systems in which the force of a weighing object is greater than a mechanical force transmission system on a deformation body is guided, the surface elongation is a measure of the Weight of the goods to be weighed.
Claims (12)
- - der Meßlichtstrahl (4) in einem elastischen Lichtleiter (13) geführt ist, dessen Form den zu messenden Längen- oder Abstandsänderungen entsprechend gedehnt oder gestaucht wird.
- - The measuring light beam ( 4 ) is guided in an elastic light guide ( 13 ), the shape of which is stretched or compressed in accordance with the changes in length or distance to be measured.
- - der Lichtleiter ein dünnes, flächenhaft ausgebildetes Substrat (13, 14) ist, das parallel zur Richtung der Längen- oder Abstandsänderung angeordnet ist.
- - The light guide is a thin, flat substrate ( 13 , 14 ) which is arranged parallel to the direction of the change in length or distance.
- - das Substrat (13, 14) Silizium ist.
- - The substrate ( 13 , 14 ) is silicon.
- - ein senkrecht zum Meßlichtstrahl (4) angeordneter Spiegel (8) vorhanden ist.
- - A mirror ( 8 ) arranged perpendicular to the measuring light beam ( 4 ) is present.
- - mindestens ein nahezu senkrecht zum Meßlichtstrahl (4) angeordneter Spiegel (10, 11) vorhanden ist.
- - At least one mirror ( 10 , 11 ) arranged almost perpendicular to the measuring light beam ( 4 ) is present.
- - der Meßlichtstrahl (4) über Lichtwellenleiter (12) in das Substrat (13, 14) ein- und/oder ausgekoppelt ist.
- - The measuring light beam ( 4 ) via optical waveguide ( 12 ) in the substrate ( 13 , 14 ) and / or coupled out.
- - das Interferometer mit dem Lichtleiter auf einem Substrat (13) integriert ist.
- - The interferometer is integrated with the light guide on a substrate ( 13 ).
- - der Referenzzweig des Interferometers senkrecht zur Richtung der zu messenden Größe angeordnet ist.
- - The reference branch of the interferometer is arranged perpendicular to the direction of the quantity to be measured.
- - der Lichtleiter ein Lichtwellenleiter ist.
- - The light guide is an optical waveguide.
- - der Lichtwellenleiter an einem Ende mit einem Spiegel abgeschlossen ist.
- - The optical fiber is closed at one end with a mirror.
- - der Lichtwellenleiter auf einem elastischen Träger aufge bracht ist.
- - The optical fiber is brought up on an elastic support.
- - der Lichtwellenleiter mäander- oder spiralförmig angeordnet ist, so daß seine Längenänderung ein Vielfaches der zu messenden Größe ist.
- - The optical waveguide is arranged in a meandering or spiral shape, so that its change in length is a multiple of the size to be measured.
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