DE4133131C1

DE4133131C1 - Detecting chemical or physical parameters influencing light intensity - using reference and measurement receivers to detect reference and measurement light of respective wavelength components, in synchronism

Info

Publication number: DE4133131C1
Application number: DE19914133131
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Ecke; Joerg Hoffmann; Thomas Dr. O-6900 Jena De Reuter; Guenter Dr. O-6902 Jena De Schwotzer
Original assignee: Ultrakust Electronic GmbH
Current assignee: Bartec Messtechnik und Sensorik 94239 Gottes GmbH
Priority date: 1991-10-05
Filing date: 1991-10-05
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2011-10-06
Also published as: DE4133131C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung gemäß der Gattung der Patentansprüche 1 und 6.

Zur Steuerung von Herstellungs-, Lagerungs- und Umformungs technologien sowie zu Kontrollmessungen im Rahmen von Umwelt beobachtungen werden häufig Lichtleiter in Verbindung mit faseroptischen Bauelementen und Sensoren verwendet. Wiederholt zu bestimmten Größen sind Schadstoffkonzentrationen, Feuchte, Druck, Temperatur, Magnesium, Weglängen u. a. Das Hauptpro blem, insbesondere bei der Verwendung von Fasersensoren aus Multimodenlichtwellenleitern, bei denen die zu messende Größe einen die Lichtintensität verändernden Einfluß auf das Meß licht ausübt, ist neben der Einwirkung der Meßgröße die gleichzeitige unerwünschte Beeinflussung der Lichtintensität durch die Inkonstanz von Lichtquellen, Empfängern und Licht übertragungswegen sowie die indirekte Beeinflussung der Inten sitätsmessungen durch die elektronischen Bauteile, vornehmlich die Verstärker.

Zur Eliminierung der unerwünschten Einflüsse auf die Licht intensitätsmessung wurden bereits verschiedene Wege beschrit ten. Aus der JP 58-1 89 529 A ist ein optisches Thermometer bekannt, bei dem ein Teil des Lichtes einer Lichtquelle vor dem Eintritt in die Fasersensoranordnung auf einen optischen Empfänger geleitet und die Intensität des Sensorlichtes mit dem Referenzlicht verglichen wird. Dadurch finden lediglich Einflüsse infolge der Intensitätsschwankungen der Lichtquelle eine Berücksichtigung.

Eine andere bekannte Lösung (DE 38 11 178 A1) benutzt zusätz lich zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenkom ponenten (Schwerpunktwellenlängen) der Lichtemission, wobei die Lichtkomponenten im Sensorteil durch die zu messende Größe hinsichtlich ihrer Intensität unterschiedlich beeinflußt werden. In dem faseroptischen Druck- und Verschiebungsfühler, der als Fabry-Perot-Anordnung ausgebildet ist und entsprechende Verzweiger bzw. Koppler aufweist, wird das Licht in eine Lichtleitfaseranordnung eingekoppelt, ein Teil des Lichtes über eine Lichtweite vor der Meßstelle auf zwei optoelektro nische Empfänger geleitet und das von der Meßstelle zurück kommende Licht zumindest teilweise zwei anderen optoelektroni schen Empfängern zugeführt. Die von den Empfängern aufgenom menen und gewandelten Signale werden elektronisch miteinander verglichen und in ein Verhältnis gesetzt. Trotz des relativ hohen Aufwandes ist mit dieser bekannten Vorrichtung die Ver meidung von Störeinflüssen auf die zu messende Lichtintensität bzw. die daraus herleitbare physikalische Größe unbefriedi gend. Bekanntlich sind die Streckendämpfungen von Multimoden fasern sowie die Teilungsverhältnisse von Teilern und die Arbeitskennlinien von Meßfühlern, die aus diesen Fasern beste hen, von der Modenverteilung abhängig. Diese ist aber generell für das Licht zweier Lichtquellen unterschiedlich und wird durch äußere und innere Einflüsse, wie Temperatur, Faserbie gung, Fasersteckverbindungen, Faserspleiße u. a. ungünstig beeinflußt. Hinzu kommt, daß unterschiedliche optoelektroni sche Empfänger und Verstärker nur mit großem Aufwand auf eine gleiche, über lange Zeit stabile Empfindlichkeit bzw. Verstär kung gebracht werden können.

In GB 21 38 936 wird ein optisches Sensorsystem vorgeschlagen, welches Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen λ₁ und λ₂ in der Weise verwendet, daß das Licht der einen Wellenlänge bis unmittelbar vor den eigentlichen Sensor und zurück gelei tet wird, während das Licht der anderen Wellenlänge nur einen ähnlichen optischen Weg nimmt und darüber hinaus noch vom eigentlichen Sensor beeinflußt wird. Die Messung des erstge nannten Lichtes wird zur Kompensation irgendwelcher Trans missionsänderungen der zum Sensor führenden Lichtleitfaser verwendet. Die Transmissionsänderungen kompensierende Wirkung dieser Anordnung muß unbefriedigend sein, weil:

- die optischen Wege, die beide Lichtarten zurücklegen, bezüg lich ihrer transmissionsbeeinflussenden Charakteristika nicht gleich sind,
- für beide Lichtarten getrennte Detektoren benutzt werden und
- eine "Subtraktion" der beiden Meßsignale nicht die erhoffte Kompensationswirkung bringen kann.

In der aus GB 20 16 684 bekannten Lösung, ist eine Beeinflus sung der Reflexionsfaktor-Messung durch schwankende Modenver teilungen des Lichtes in den Sensorzuleitungen zu erwarten. Die Logarithmierung der zu vergleichenden Lichtintensitäten und damit die logarithmische nichtlineare Ausgabe der Inten sitätswerte verhindert die Möglichkeit einer Erfassung und Korrektur von Nullpunktdriften der optischen Empfänger und Verstärker. Es sind keine aktiven Maßnahmen zur Unterdrückung sehr starker Fremdlichteinstrahlungen, welche bei einseitig offenen faseroptischen Sensoren eine wesentliche Störquelle bilden, und keine Vorrichtungen für eine getaktete Mittelwert bildung der zeitlich nacheinander auftretenden, modulierten Lichtintensitäten der verschiedenen Wellenlängen vorgesehen, wodurch die nutzbare Meßgeschwindigkeit unnötig niedrig ist. Die zeitliche Schwankung der Modenverteilung bildet auch in der Lösung nach US 42 66 878 eine wesentliche Quelle für fehlerhafte Meßwertzuordnungen. Der Einfluß von Fremdlichtein strahlungen wird nur durch abgedunkelte Meßräume verhindert. Es ist bei dieser Lösung auch nicht gewährleistet, daß die Empfänger für die verschiedenen Wellenlängen im Referenz- und im Meßkanal zeit- und temperaturunabhängig einheitliche Empfindlichkeiten aufweisen.

Bei weiteren bekannten Verfahren zur Auswertung der Signale von faseroptischen Sensoren werden die Signale unterschiedlicher Wellenlänge durch unterschiedliche Modulationsfrequenzen von einander getrennt und in auf diese unterschiedlichen Frequen zen abgestimmten Lock-in-Detektoren möglichst auch getrennt empfangen. Es wird zur Verbesserung der Rauschunterdrückung eine gleitende Mittelwertbildung über Tiefpässe oder digitale Filteralgorithmen vorgenommen. Die Trennschärfe zwischen den unterschiedlichen Signalanteilen ist in diesen Fällen bei vertretbarem Realisierungsaufwand zu gering und bleibt hinter den geforderten Genauigkeiten zurück. Außerdem lassen sie eine streng getaktete Informationsauswertung nicht erkennen. Diese ist aber notwendig, damit die Signale unterschiedlicher Wellenlänge zur Vereinfachung des optischen Aufbaues aus der gleichen Lichtquelle gewonnen werden können.

Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Mängel der bekann ten Verfahren und Vorrichtungen beseitigt und ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Bestimmung von die Lichtintensität beeinflussenden chemischen und/oder physikalischen Größen angegeben werden, bei denen die apparativ bedingten und ver fälschenden Einflüsse auf die Meßergebnisse weitestgehend beseitigt sind. Die Auswertung der Empfängersignale soll durch ein getaktetes Auswerteregime bezüglich der Lichtintensitäten einer oder mehrerer Lichtquellen auf einen oder mehrere Lichtempfänger ermöglicht werden. Im Auswertevorgang sollen Signalstörungen unterdrückt und eine weitgehende Kanaltrennung zur Schaffung von Fasersensoren mit hoher Genauigkeit erreicht werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 gelöst. Dadurch, daß sowohl der Referenzempfänger als auch der Meßempfänger im gleichen Rhythmus jeweils das Referenz- und das Meßlicht von nacheinan der mindestens zwei Wellenlängenkomponenten empfangen und die daraus gewonnenen Signale in gleicher Weise elektronisch ver arbeitet werden, werden die negativen Intensitätseinflüsse der optoelektronischen Bauelemente beseitigt und ein von Verfäl schungen freies Meßergebnis erhalten.

Dabei gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren unter wesentlicher Verwendung von Lichtwellenleitern als Übertra gungselemente grundsätzlich folgendermaßen:
Zunächst wird das Licht zweier Wellenlängenkomponenten in einen Lichtwellenleiter, der eine Multimodefaser sein kann, eingekoppelt. Dabei kann jede Wellenlängenkomponente von einer Lichtquelle oder beide Wellenlängenkomponenten von derselben Lichtquelle nacheinander ausgehen. Anstatt zwei können auch mehrere Wellenlängenkomponenten verwendet werden, wodurch bspw. mehr als eine chemische und/oder physikalische Größe detektiert werden kann. Der Lichtwellenleiter wirkt somit als gemeinsame punktförmige Lichtquelle bzgl. der Anteile der Wellenlängenkomponenten. Noch im Bereich der punktförmigen Lichtquelle werden durch Einfügung eines Modenmischers die Lichtmoden im wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Quer schnitt des Lichtbündels verteilt. Danach wird das derart homogenisierte Licht in ein Referenz- und Meßlichtbündel ge teilt, derart, daß auch die Wellenlängenkomponenten gleich mäßig im Referenz- und im Meßlichtbündel enthalten sind. Das Referenzlicht wird auf einen Referenzempfänger geleitet und erzeugt dort für jede Wellenlängenkomponente nacheinander ein Referenzsignal. Die Referenzsignale werden durch elektro nische Quotientenbildung aufeinander bezogen. Das Meßlicht bündel wird über einen Lichtwellenleiter zum Meßobjekt, das im Lichtwellenleiter enthalten sein kann, geführt. Dort wird auf Grund der wellenlängenspezifischen Kennlinien eines Meß fühlers und des Meßobjektes die Intensität des Lichtes der einzelnen Wellenlängenkomponenten unterschiedlich beeinflußt. Vom Meßobjekt gelangt das derart beeinflußte Meßlicht über den gleichen oder einen anderen Lichtwellenleiter auf einen Meß empfänger und erzeugt dort für jede Wellenlängenkomponente nacheinander ein Meßsignal. Die Meßsignale der Wellenlängen komponenten werden ebenfalls durch elektronische Quotienten bildung aufeinander bezogen.

Es ist auch möglich, das Meßlicht jeder Wellenlängenkomponente auf das Referenzlicht derselben Wellenlängenkomponente zu beziehen. Die derart gebildeten Quotienten von Referenz- und Meßlicht werden ihrerseits elektronisch aufeinander bezogen, was sich mathematisch durch die Beziehung für eine Kombina tionsgröße

ausdrücken läßt. Darin bedeuten I_m und I_r die gemessenen Lichtintensitäten am Meß- und Referenzempfänger und λ₁ und λ₂ die zugehörigen Wellenlängenkomponenten. Die Wellenlängenkom ponenten sollen keine zu großen Unterschiede aufweisen, d. h. λ₂-λ₁ soll möglichst 100 nm sein.

Zur Aufbereitung der Referenz- und Meßsignale sind dem Refe renzempfänger und dem Meßempfänger je ein Impedanzverstärker mit einem symmetrischen Gegentaktausgang, ein Differenzinte grator, für Referenz- und Meßempfänger gemeinsam ein Wahl schalter und eine Auswerteschaltung nachgeordnet. Die Ein gangspolaritäten der Differenzintegratoren werden im Rhythmus der Intensitätsmodulation der Wellenlängenkomponenten umge schaltet. In der Auswerteschaltung werden die Quotienten der den Wellenlängenkomponenten entsprechenden Signale des Refe renzempfängers und des Meßempfängers sowie das Verhältnis dieser Quotienten zueinander gebildet. Sind zwei Lichtquellen vorgesehen, als Laserdioden ausgebildet und über Ein-/Aus- Taster sowie die Steuerung der Taktung besorgende Und-Glieder mit dem Taktgenerator verbunden, so werden beide Lichtquellen zur Intensitätsmodulation periodisch eingeschaltet und zwi schen beiden Lichtquellen mit einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet. Die den Wellenlängenkomponenten entsprechenden Lichtsignale werden mit einer Wechselfrequenz in zeitlicher Reihenfolge erzeugt und mit einer weiteren, höherfrequenten Modulationsfrequenz hinsichtlich ihrer Intensität getastet. Meß- und Referenzsignale werden in entsprechende elektrische Spannungen gewandelt und in jeweils einem, mit der Modula tionsfrequenz in der Eingangspolarität umgetasteten Differenz integrator akkumuliert. Die Gegentakteingänge des Differenz integrators werden von den Ausgängen eines symmetrischen Gegentaktverstärkers gespeist, wodurch eine besonders weitreichende Unterdrückung des Einflusses von Fremdlicht und Verzerrungen im Verstärkungskanal erreicht wird. Die Akkumulationsphasen der Differenzintegratoren entsprechen den Leuchtdauern der Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten. Am Ende jeder Leuchtdauer findet die Meßwertübernahme durch die Auswerteschaltung sowie das Rücksetzen des jeweiligen Differenzintegrators statt. Die Meßwertübernahme kann über Analog-Digital-Wandlung und Speicherung oder als Analogwertspeicherung vorgenommen werden. Zur Gewährleistung der Streckenneutralität der Lichtübertragungswege, zur Eliminierung von Driften und Alterungen der Lichtquellen und Faserkoppelungsstrecken werden für die unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten die Meßsignalgrößen auf die jeweiligen Referenzsignalgrößen normiert. Die normierten Signale werden in der oben beschriebenen Weise miteinander verknüpft.

Ist nur eine Lichtquelle vorgesehen, als Laserdiode ausgebildet und über einen Ein-/Aus-Taster und einen Umschalter zwischen zwei verschiedenen Stromquellen mit dem Taktgenerator verbunden, so wird die Lichtquelle zur Intensitätsmodulation periodisch eingeschaltet und zwischen den beiden Stromquellen mit einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet. Dadurch entfällt der Strahlenkoppler zur Vereinigung der beiden Lichtwege für die Wellenlängenkomponenten. Das Referenzlicht kann von einer Fotodiode empfangen werden, die direkt an der einen Lichtquelle montiert ist. Für diesen Anwendungsfall ist die zeitlich aufeinanderfolgende Taktung und die getaktete Begrenzung des Empfangsregimes für die beiden Betriebszustände an den an die Lichtempfänger nachgeschalteten Verstärkungs- und Störsignal-Unterdrückungs-Schaltungen exakt notwendig.

Eine zusätzliche Unterdrückung von Drifterscheinungen ist möglich, wenn periodisch ein Nullsignal gebildet und von den Empfangskanälen ausgewertet wird. Dies geschieht im einfachsten Fall durch kurzzeitiges Austasten der Lichtquellen und Subtraktion des zu dieser Zeit gebildeten Empfangssignals von den folgenden Empfangssignalen bei aktiven Lichtquellen. Anstelle des Austastens kann auch eine Umschaltung auf eine andere Modulationsfrequenz, die vorzugsweise ein geradzahliges Vielfaches der zum Nachweis benutzten Modulationsfrequenz beträgt, benutzt werden. Letzteres ist besonders vorteilhaft bei Anwendung von Halbleiterlaserdioden als Lichtquellen, deren Wellenlängen bekanntermaßen von der Temperatur und damit auch von der mittleren Strombelastung abhängt und deshalb nach einer Austastung vom Durchschnittswert abweicht.

Das auf die beschriebene Art gebildete resultierende Gesamtsignal ist frei von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, von Änderungen der Empfänger- und Verstärkerempfindlichkeiten und von modenbedingten Übertragungs- bzw. Intensitätsänderungen und, wenn die Wellenlängenkomponenten sich im oben angegebenen Bereich unterscheiden, ist es auch frei von wellenlängenabhängigen Übertragungsverlusten.

Die Erzeugung der Wellenlängenkomponenten kann, wie bereits erwähnt, mittels Halbleiterlichtquellen unterschiedlicher Emissionswellenlänge erfolgen. Die Zusammenführung der Lichtanteile in eine Lichtfaser, deren Ende als gemeinsame Punktlichtquelle wirkt, erfolgt über Y-Koppler oder Sternkoppler, deren gemeinsame Ausgangsfaser den Modenmischer enthält. Dabei kann es sich aufgrund der gewählten Anordnung um einfache Bauelemente handeln, deren Kopplungseigenschaften in keiner Weise modenstabil und modenunabhängig zu sein brauchen. Bei Verwendung einer Halbleiterlaserdiode als Lichtquelle können die Wellenlängenkomponenten auch durch in ihrem zeitlichen Verlauf unterschiedliche Injektionsströme mit unterschiedlicher Stromstärke erzeugt werden. Das modenmischende Bauteil kann eine Lichtleitfaser größerer Länge sein. Es können aber auch die Lichtleitfaser drückende und krümmende Mittel verwendet werden. Als Lichtteiler können optische Teilerwürfel, Teilerplatten, oder faseroptische Bauteile benutzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein zum ersten Ausführungsbeispiel gehörendes elektronisches Blockschaltbild,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Modenmischer und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit nur einer Lichtquelle.

In Fig. 1 ist der optische Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Zwei als Halbleiterlaserdioden ausgebildete Lichtquellen 1 und 2 strahlen Lichtbündel mit einer Leistung von 200 µW und den Wellenlängen λ₁=780 nm und λ₂=830 nm über je eine Linse 3, 4 in einen Lichtwellenleiter 5, 6 vom PCS-Typ und 200 µm Durchmesser ab. Die Lichtwellenleiter 5, 6 werden durch einen Koppler 7 vom Y-Typ zu einem einzigen Lichtwellenleiter 8 vereinigt, der an einer Linse 9 vor einem Strahlenteilerwürfel 10 endet. Der Strahlenteilerwürfel 10 teilt das Lichtbündel mit den beiden Wellenlängenkomponenten λ₁ und λ₂ und der Gesamtlichtintensität I zu jeweils 50% in ein Referenzlichtbündel 11 mit der Referenzintensität I_r und ein Meßlichtbündel 12 auf. Das Referenzlichtbündel 11 gelangt zu einem Referenzempfänger 13, der als Siliziumfotodiode mit einer aktiven Fläche von 5 mm² ausgebildet sein kann. Das Meßlichtbündel 12 tritt durch eine Linse 14 in einen Lichtwellenleiter 15 ein, der dem obengenannten Lichtwellenleiter 8 gleicht und der das Meßlichtbündel 12 zu einem Meßobjekt 16 leitet, das über einen ebenfalls gleichen Lichtwellenleiter 17 das Meßlichtbündel mit der Meßlichtintensität I_m zu einem Meßempfänger 18 reflektiert, der vom gleichen Typ ist wie der Referenzempfänger 13.

Die zu bestimmende physikalische Größe soll im vorliegenden Ausführungsbeispiel die relative Luftfeuchtigkeit sein. Sie wird über eine empirisch gewonnene Eichkennlinie aus der Kombinationsgröße K ermittelt, die sich aus den mit Hilfe der Empfänger 13 und 18 ermittelten Intensitäten I_r, I_m und den Wellenlängen λ₁, λ₂ errechnen läßt, und zwar ist

Zur Bildung der elektrischen Signale, die den optischen Intensitäten I_m und I_r entsprechen, wird die in Fig. 2 dargestellte elektrische Schaltung benutzt.

An den Referenzempfänger 13 und den Meßempfänger 18 schließen sich Transimpedanzverstärker 19 bzw. 20 mit symmetrischen Gegentaktausgängen an, die mit symmetrischen Gegentaktausgängen eines jeweiligen Differenzintegrators 21 bzw. 22 verbunden sind. Die Differenzintegratoren 21, 22 haben Zeitkonstanten von 0,01 s und werden mit in einem Taktgenerator 34 enthaltenen CMOS-Umschaltern über einen Steueranschluß 35 hinsichtlich ihrer Eingangspolarität im Rhythmus einer Modulationsfrequenz f₁=5750 Hz der Lichtquellen 1 und 2 umgekehrt. Während eine der Lichtquellen 1, 2 leuchtet, wird in diesem Fall aufwärts integriert und während der gleich langen Aus tast-Halbperiode von f₁ wird abwärts integriert und somit asynchrone Fremdlichteinflüsse kompensiert. Nach Abschluß eines Integrationszyklus, in dem z. B. die Lichtquelle 1 aktiv war und der annähernd einer halben Periode einer Frequenz f₂=22,5 Hz entspricht, werden über einen Steueranschluß 23 und einen Wahlschalter 24 die Integrationssummen im Bereich von 0 bis +4 V in einer Auswerte- und Speicherschaltung 25 in analoger oder digitaler Form gespeichert, die in der Formel für K angegebenen Rechenoperationen ausgeführt und mit Hilfe einer in der Auswerte- und Speicherschaltung 25 befindlichen Eichkorrelationsdatei die zugehörige relative Feuchte bestimmt. Nach der Übernahme der Integrationssummen, für die im Ausführungsbeispiel 35 µs Zeit beansprucht wird, werden über einen Steueranschluß 26 die Differenzintegratoren 21 und 22 für die Dauer von 0,6 ms zurückgesetzt. Bei der nun folgenden Halbperiode von f₂ beginnt die aktive Leuchtperiode der vorher inaktiven Lichtquelle 2 und dementsprechend ein neuer Integrationszyklus.

Die als Laserdioden ausgebildeten Lichtquellen 1 und 2 werden durch Konstantstromquellen 27, 28 gespeist. Die Modulation erfolgt über bipolare Ein-/Aus-Taster 29, 30. Der Steuerung der Tastung dienen Und-Glieder 31, 32 mit der Modulationsfrequenz f₁ während der jeweils aktiven Phase, die durch die entsprechende Halbperiode von f₂, abzüglich der Übernahme (aktive Phase der Steuerleitung 23) und Rücksetzung (aktive Phase der Steuerleitung 26) notwendige Zeitdauer gegeben ist. In bestimmten Zeitabständen, die abhängig von den zu erwartenden Driften frei wählbar sind, werden für wenigstens eine Periodendauer der Frequenz f₂ die Nullsignale ohne aktive Lichtquellen bestimmt. An einem steuerbaren Umschalter 33 kann diese inaktive Phase durch einfaches Ausschalten der Lichtquellen oder vorteilhaft durch Verdoppelung der Modulationsfrequenz auf 2 f=11 500 Hz eingestellt werden. Die Verdoppelung der Modulationsfrequenz vermeidet thermische Eigenschwingungen und damit Wellenlängendriften der Laserdioden unmittelbar nach dieser Nullpunktbestimmung.

In Fig. 3 ist die optische Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die von den Lichtquellen 1 und 2 ausgehenden Lichtwellenleiter (Lichtleitfasern) 5, 6 werden im Y- Koppler 7 zusammengefaßt und damit die Wellenlängenkomponenten λ₁ und λ₂ weitestgehend gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des anschließenden Lichtwellenleiters 8 verteilt. Ein den Lichtwellenleiter 8 verformender Modenmischer 36 in Form von den Lichtwellenleiter 8 verdrückenden Stäben besorgt eine gleichmäßige Mischung der Lichtmoden über den gesamten Wellenleiterquerschnitt. Ein faseroptischer Teiler (Spleiß) 37 teilt das den Lichtwellenleiter 8 durchfließende Lichtbündel in ein Referenzlichtbündel, das über einen Referenzlichtwellenleiter 38 zum Referenzempfänger 13 gelangt, und ein Meßlichtbündel, das über einen Meßlichtwellenleiter 39 mit Steckverbindungen 40, 41 zum Meßobjekt 16 geleitet wird, das in den Meßlichtwellenleiter 39 integriert sein kann. Das vom Meßobjekt 16 beeinflußte Meßlichtbündel wird durch den Meßlichtwellenleiter 39 zurück zum Spleiß 37 und von diesem über einen Lichtwellenleiter 42 zum Meßempfänger 18 geleitet. Als elektronische Auswertevorrichtung kann die zu Fig. 2 beschriebene Anordnung dienen.

Anstelle der von außen auf die optische Faser 8 einwirkenden Stäbe 36 können zur Modenmischung auch vorzugsweise unebene Platten od. dgl. verwendet werden oder die optische Faser 8 selbst kann eine größere Länge aufweisen und vorzugsweise spulenförmig gewickelt sein.

Fig. 4 zeigt eine besonders wenig aufwendige Ausführungsform unter Verwendung eines einzigen Lichtquellenmodus 43, der in an sich bekannter Weise aus einer Halbleiterlaserdiode 44 und einer Referenzempfangsdiode 45 besteht. Die Halbleiterlaserdiode 44 strahlt bei einem Strom von 65 mA Licht der Wellenlänge λ₁=777 nm und bei einem Strom von 85 mA Licht der Wellenlänge λ₂=782 nm aus, das über eine Linse 46 und einen Lichtwellenleiter 47 zum Meßobjekt 16 gelangt. Das Meßobjekt (Sensormedium) 16 ist durch entsprechende Dicken einer reflektierenden Schichtkombination so ausgelegt, daß die Änderungen der Reflexion mit sich ändernder relativer Feuchte bei diesen beiden Wellenlängen gegenläufig erfolgt. Vom Meßobjekt 16 wird das Meßlichtbündel durch einen Lichtwellenleiter 48 zum Meßempfänger 18 reflektiert. Wird die in Fig. 2 dargestellte elektronische Anordnung zur Auswertung benutzt, so vereinfacht sie sich in der Weise, daß die Konstantstromquellen 27, 28 für die beiden obengenannten Ströme auf die gleiche Lichtquelle 44 geschaltet werden. Bei dieser Form der Wellenlängenumschaltung in ein und denselben Übertragungskanal ist die erfindungsgemäße Bildung von zeitlich gemittelten, von Störlichteinflüssen befreiten elektrischen Signalen besonders günstig.

Das Sensormedium 16 ist im Falle des Feuchtesensors eine poröse Isolatorschicht mit einem porösen reflektierenden Überzug. Zur Temperaturmessung kann es in einem anderen Anwendungsfall mit einem hermetisch dichten Überzug versehen sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf die Anwendung bei faseroptischen Sensoren beschränkt. Es können beliebige optische Sensoren bezüglich einer chemischen oder physikalischen Meßgröße benutzt werden, die das wellenlängen-, polarisations-, zeit- oder intensitätsabhängige Extinktions- oder Reflexionsvermögen zur quantitativen Analyse nutzen. Die Umschaltung erfolgt sinngemäß zwischen unterschiedlichen Werten des Betriebsparameters, dessen Abhängigkeit von der jeweiligen Meßgröße ausgenutzt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es auch möglich, mehrere chemische und/oder physikalische Größen im wesentlichen gleichzeitig abzufragen. Dies kann beispielsweise durch die Anordnung mehrerer Meßlichtbündel, Sensormedien bzw. Meßempfänger geschehen.

Bezugszahlenliste

1, 2 Lichtquellen
3, 4, 9, 14, 46 Linse
5, 6, 8, 15, 17, 42, 47, 48 Lichtwellenleiter
7 Koppler
10 Strahlenteilerwürfel
11 Referenzlichtbündel
12 Meßlichtbündel
13 Referenzempfänger
16 Meßobjekt
18 Meßempfänger
19, 20 Transimpedanzverstärker
21, 22 Differenzintegrator
24 Wahlschalter
25 Auswerte- und Speicherschaltung
27, 28 Konstantstromquellen
29, 30 Ein-/Aus-Taster
34 Taktgenerator
31, 32 Und-Glieder
33 Umschalter
35, 23, 26 Steueranschluß
36 Stäbe
37 faseroptische Teiler
38 Referenzlichtwellenleiter
39 Meßlichtwellenleiter
43 Lichtquellenmodul
44 Halbleiterlaserdiode
45 Referenzempfangsdiode

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen von die Lichtintensität beeinflussenden chemischen und/oder physikalischen Größen, bei dem gebündelten Licht mit mindestens zwei Wellenlängenkomponenten erzeugt, in ein Referenz- und Meßlichtbündel geteilt, das Referenzlichtbündel zu einem Referenzempfänger und das Meßlichtbündel über ein Meßobjekt zu einem Meßempfänger geleitet werden, wobei die aus dem Referenz- und dem Meßempfänger gelieferten Signale zur Verhältnisbildung und Ableitung der chemischen und/oder physikalischen Größen benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Referenzempfänger als auch der Meßempfänger im gleichen Rhythmus das Referenz- und das Meßlicht der einzelnen jeweiligen Wellenlängenkomponenten nacheinander empfangen, daß aus den Signalen, die für die gleichen Wellenlängenkomponenten gleichzeitig vom Referenz- und Meßempfänger erzeugt werden, je ein Quotient gebildet wird und daß die Quotienten aus Referenz- und Meßlicht zueinander in ein Verhältnis gesetzt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht mit zwei Wellenlängenkomponenten mit Hilfe zweier Lichtquellen erzeugt und zu einem einzigen Lichtbündel zusammengeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mit zwei Wellenlängenkomponenten von einer einzigen Lichtquelle gesendet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Wellenlängenkomponenten alternierend im gleichen Rhythmus gesendet wird, wie es vom Referenz- und Meßempfänger empfangen wird.

5. Verfahren gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Teilung des gebündelten Lichtes eine Mischung seiner Moden vorgenommen wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der von vorzugsweise einer Lichtquelle Licht mit mindestens zwei Wellenlängenkomponenten gebündelt zu einem Lichtteiler ausgesandt wird, der das Lichtbündel in ein Referenzlichtbündel und ein Meßlichtbündel teilt, wobei das Referenzlichtbündel zu einem Referenzempfänger und das Meßlichtbündel über ein Meßobjekt zu einem Meßempfänger gelangt und aus den im Referenzempfänger und im Meßempfänger erzeugten elektrischen Signalen mit elektronischen Mitteln eine Verhältnisbildung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator zur Erzeugung der Takte vorgesehen ist, in denen alternierend die Wellenlängenkomponenten zum Referenzempfänger und zum Meßempfänger gelangen, daß dem Referenzempfänger und dem Meßempfänger jeweils ein Quotientenbildner nachgeordnet ist, der aus den den Wellenlängenkomponenten entsprechenden Signalen des Referenzempfängers und des Meßempfängers jeweils einen Quotienten bildet und daß ein Verhältnisbildner vorgesehen ist, der aus diesen Quotienten der einzelnen Wellenlängenkomponenten ein Verhältnis ableitet.

7. Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten vorgesehen sind, deren Lichtströme zu einer kontinuierlich sendenden Sekundärlichtquelle zusammengeführt werden.

8. Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Taktgenerator verbundene Lichtquelle, vorzugsweise eine Halbleiterlaserdiode vorgesehen ist, die im vorgegebenen Takt von einer Wellenlängenkomponente auf die andere umgeschaltet wird.

9. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung und Führung der Lichtbündel zumindest teilweise optische Fasern und Faserbauelemente vorgesehen sind.

10. Anordnung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle ein Lichtteiler nachgeordnet und zwischen Lichtquelle und Lichtteiler ein Modenmischer vorgesehen ist.

11. Anordnung gemäß Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzempfänger eine Fotodiode direkt an der Lichtquelle angeordnet ist.

12. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtteiler, dem Meßobjekt und dem Meßempfänger nur ein Lichtleiter besteht.

13. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Referenzempfänger und dem Meßempfänger je ein Impedanzverstärker mit einem symmetrischen Gegentaktausgang, ein Differenzintegrator, für Referenz- und Meßempfänger gemeinsam ein Wahlschalter und eine Auswerteschaltung nachgeordnet sind, wobei die Eingangspolaritäten der Differenzintegratoren im Rhythmus der Intensitätsmodulation der Wellenlängenkomponenten umgeschaltet werden und in der Auswerteschaltung die Quotienten der den Wellenlängenkomponenten entsprechenden Signale des Referenzempfängers und des Meßempfängers sowie das Verhältnis dieser Quotienten zueinander gebildet werden.

14. Anordnung gemäß den Ansprüchen 7 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtquellen vorgesehen, als Laserdioden ausgebildet und über Ein-/Aus-Taster sowie die Steuerung der Taktung besorgende Und-Glieder mit dem Taktgenerator verbunden sind, so daß beide Lichtquellen zur Intensitätsmodulation periodisch eingeschaltet werden und zwischen beiden Lichtquellen mit einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet wird.

15. Anordnung gemäß den Ansprüchen 7 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle vorgesehen, als Laserdiode ausgebildet und über einen Ein-/Aus-Taster und einen Umschalter zwischen zwei verschiedenen Stromquellen mit dem Taktgenerator verbunden ist, so daß die Lichtquelle zur Intensitätsmodulation periodisch eingeschaltet und zwischen den beiden Stromquellen mit einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet wird.

16. Anordnung gemäß den Ansprüchen 7, 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Stromquelle zwischen den verschiedenen Ausgangsströmen mit einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet wird.

17. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßobjekt ein aus einer reflektierenden Kombination von Schichten unterschiedlicher Dicke bestehendes Sensormedium vorgesehen ist, dessen Reflexion bei beiden Wellenlängenkomponenten sich mit ändernder chemischer und/oder physikalischer Größe gegenläufig ändert.