DE4306756A1 - Lichtwellenleitergekoppelte Temperaturmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtwellenleitergekop­ pelte Temperaturmeßvorrichtung mit einem Sensor- Fabry-Perot-Interferometer, das mittels Multimode- Lichtwellenleiter mit Licht niedriger Kohärenz, vorzugsweise mit einer Weißlichtquelle, gespeist, und dessen Meßinformationen mittels Lichtwellenlei­ ter zu einer Auswerteeinheit geleitet wird.

Ein Fabry-Perot-Sensor zur faseroptischen Tempera­ turmessung ist in DE 35 06 844 beschrieben. Nach­ teilig ist hier die Beleuchtung des Fabry-Perot- Sensors mit einem Monomode-Lichtwellenleiter und dessen kritischer und aufwendiger Koppeltechnik. Weiterhin ist das Ausgangssignal durch Verwendung monochromatischer Strahlung einer Laserdiode mehr­ deutig. Der Meßbereich bzw. die Empfindlichkeit oder aber die Nullpunktstabilität dieses Sensors sind damit beschränkt.

In den bekannten faseroptischen Temperatursensoren wird die Temperatur auf eine geometrische Länge zu­ rückgeführt. Diese wird interferometrisch gemessen. Das Vergleichsnormal stellt in der Regel die Wel­ lenlänge eines Diodenlasers dar. Diese wiederum wird thermisch stabilisiert, so daß auch in diesen Anordnungen eine Temperaturmessung und -regelung notwendig ist.

Die Kopplung zweier Fabry-Perot-Interferometer und Detektierung des achromatischen Streifens bei Gleichheit der beiden Interferometer wurde schon von Fabry und Perot 1907 zur Ausmessung des Meters durchgeführt.

Eine neuere Ausführung mit Lichtwellenleiterkopp­ lung wird beispielsweise sowohl in WO 90 09 557 als auch in DE 36 92 977 beschrieben. Der Nachteil die­ ser Anordnung besteht darin, daß zur Detektierung des achromatischen Streifens ein Spiegel eines Fa­ bry-Perot-Interferometers mechanisch feinfühlig ge­ genüber dem zweiten Spiegel verschoben werden muß und die Größe der Verschiebung die Maßverkörperung darstellt. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist es erforderlich, diese Verschiebung mit Hilfe eines Laserinterferometers zu bestimmen bzw. im Be­ reich der Kohärenzlänge der Weißlichtquelle zu bleiben, deren ungenügend bekannte Wellenlänge als Maßverkörperung dienen soll. Der apparative Aufwand ist entweder sehr hoch oder das Meßergebnis weist eine geringe Genauigkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lichtwellenleitergekoppelte Temperaturmeßvorrich­ tung zu schaffen, bei der mit verringertem apparativen Aufwand für die faseroptische Tempe­ raturmessung eine hohe Meßgenauigkeit erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich in der Auswerteeinheit ein weiteres Fabry- Perot-Interferometer befindet, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die glei­ che Länge wie das Sensor-Fabry-Perot-Interferometer aufweist, das mit dem von diesem kommenden Licht beleuchtet wird und das mit Hilfe von Fotodedekto­ ren abgetastet wird, daß am Fabry-Perot-Interfero­ meter im thermischen Kontakt ein elektronischer Temperatursensor befestigt ist und daß das Fabry- Perot-Interferometer und ein Temperatursensor sich gemeinsam in einer Temperiereinrichtung befinden, deren Temperatur in Abhängigkeit von Signal der Fo­ todedektoren über eine Auswerte- und Regelschaltung so geregelt wird, daß der achromatische Streifen nullter Ordnung detektiert wird.

Je nach Temperatur des als Sensor dienenden Fabry- Perot-Interferometers stellt sich eine Länge des optischen Resonators ein. Durch eine Temperaturre­ geleinrichtung wird die geometrische Länge des zweiten Fabry-Perot-Interferometers so geregelt, daß der achromatische Streifen nullter Ordnung de­ tektiert wird. Die sich dabei einstellende Tempera­ tur des zweiten Interferometers entspricht in die­ sem Fall der Temperatur des ersten Interferometers und kann mit konventionellen Temperatursensoren, beispielsweise einem Widerstandsthermometer, gemes­ sen werden.

Vorteilhaft können in dieser Vorrichtung Multimode- Lichtwellenleiter mit geringen Genauigkeitsanforde­ rungen eingesetzt werden und eine aufwendige Wel­ lenlängenstabilisierung der Strahlungsquelle ent­ fällt. Im Gegensatz zur bekannten Kopplung von Weißlichtinterferometern ist keine feinfühlige me­ chanische Verstellung und hochgenaue Verschiebungs­ messung erforderlich.

Da die beiden Fabry-Perot-Interferometer die glei­ che geometrische Länge und den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, führen Nichtli­ nearitäten des Ausdehnungskoeffizienten nicht zu Fehlern.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann also die Temperaturmessung unter schwierigen Umgebungsbedin­ gungen, die den Einsatz von elektrischen oder me­ tallischen Temperatursensoren nicht zuläßt, licht­ wellenleitergekoppelt über große Entfernungen auf eine Temperaturmessung unter herkömmlichen Bedin­ gungen mit herkömmlichen Temperatursensoren zurück­ geführt werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 ange­ geben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit Beleuchtung und Abtastung des Sensor-Fabry- Interferometers durch zwei getrennte Multimode- Lichtwellenleiter,

Fig. 2 eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit Beleuchtung und Abtastung des Sensor-Fabry- Interferometers über einen gemeinsamen Multi­ mode-Lichtwellenleiter,

Fig. 3 eine Einrichtung, bei der das Auswer­ teinterferometer genau doppelt so lang wie das Meßinterferometer ist und die Heizwicklung al­ ternierend zur Temperaturreglung und -messung genutzt wird,

Fig. 4 eine Einrichtung, bei welcher die Kol­ limationsoptiken und Fabry-Perot-Interferometer in ihrer Funktion zu einer Selfoc-Linse verei­ nigt sind.

Die in Fig. 1 dargestellte lichtwellenleiterekop­ pelte Temperaturmeßvorrichtung verfügt über eine Lichtquelle mit niedriger Kohärenz 1, die eine Weißlichtquelle sein kann, deren Licht in an sich bekannter Weise in einen Multimode-Lichtwellenlei­ ter 2 eingespeist wird. Das aus dem Beleuchtungs­ lichtwellenleiter 3 austretende Licht dient über die Kollimationsoptik 4 zur Anregung eines Sensor- Fabry-Perot-Interferometers 5. Das Sensor-Fabry-Pe­ rot-Interferometer 5 besteht aus einer planparal­ lelen Glasplatte, die an beiden Seiten in üblicher Weise verspiegelt ist.

Am Ausgang des Sensor-Fabry-Perot-Interferometers 5 dient eine zweite Kollimationsoptik 6 zur Einkopplung des Interferometersignals in einen zweiten Multimode-Lichtwellenleiter 7, dessen Licht wiederum über eine Kollimationsoptik 9 einem, mit dem Fabry-Perot-Interferometer 5 identischen, zwei­ ten Fabry-Perot-Interferometer 11 zugeführt wird. Dieses befindet sich gemeinsam mit einem konventio­ nellen elektrischen Temperaturfühler 12, der bei­ spielsweise ein Widerstandsthermometer sein kann, in einer Temperiereinrichtung 10, die aus einem Peltier-Element gebildet sein kann.

Die fotoelektronische Abtastung des zweiten Fabry- Perot-Interferometers erfolgt mit zweckmäßigerweise zwei Fotodetektoren 13, die so im Interferenzbild angeordnet sind, daß auch die Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen detektiert werden kann. Die Auswertung des Meßsignales erfolgt in der Weise, daß die Temperatur der Temperiereinrichtung 10 so­ lange verändert wird, bis das Maximum des Interfe­ renzsignals, der achromatische Streifen nullter Ordnung, erreicht und dieses Maximum über einen Re­ gelkreis ständig gehalten wird. Dies wird durch die fotoelektrische Auswerte- und Regeleinheit 14 er­ reicht.

Die mit Hilfe des Temperaturfühlers 12 gemessene Temperatur, die in üblicher Weise mit einer Meß- und Anzeigeeinheit 15 ermittelt wird, ist ein di­ rektes Maß für die Temperatur, die sich am Sensor- Fabry-Perot-Interferometer 5 eingestellt hat.

Weisen die beiden Fabry-Perot-Interferometer einen fertigungstechnischen Längenunterschied bei gleicher Temperatur auf, so ist die Temperaturmeß­ vorrichtung lediglich einmal in einem Meßpunkt ein­ zukalibrieren. Die Übertragung des Lichtes über die Lichtwellenleiter 3 und 7 hat keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Deshalb können in diesen Strecken an beliebiger Stelle Steckverbinder 16 oder Lichtwellenleiter 2, 8 eingefügt werden.

In Fig. 2 handelt es sich um eine Anordnung, bei der die Beleuchtung der Abtastung über einen ge­ meinsamen Lichtwellenleiter 3 erfolgt. Die Trennung zwischen Beleuchtung und Abtastung erfolgt durch eine Y-Kopplung 17 innerhalb der Auswerteeinheit. Die Verbindung kann mit bekannten Multimode-Steck­ verbindern 16 erfolgen. Wird das Auswerteinterfero­ meter 11 so gefertigt, daß es bei gleicher Tempera­ tur geringfügig kürzer als das Sensorinterferometer 5 ist, so kann die Temperiervorrichtung 18 eine einfache Heizvorrichtung sein. Der Nullpunkt dieser Meßvorrichtung braucht wiederum nur einmal einkali­ briert zu werden. Die Regelung auf das Interferenz­ maximum und die Temperaturmessung erfolgen analog zur Anordnung nach Fig. 1.

In Fig. 3 ist das Auswerteinterferometer 19 dop­ pelt so groß wie das Sensorinterferometer 5. Die Ausdehnungskoeffizienten beider Interferometer sind jedoch nach wie vor gleich. Die Beleuchtung, Abta­ stung und Lichtübertragung erfolgen analog der An­ ordnung nach Fig. 2.

Ein Interferenzmaximum wird mit Hilfe der Fotoemp­ fänger 13 dann detektiert, wenn das Fabry-Perot- Interferometer 19 genau doppelt so lang wie das In­ terferometer 5 ist. Über einen Umschalter 21 wird alternierend der Widerstand der Heizwicklung 20 als Maß für die Temperatur gemessen oder dieselbe Heizwicklung zur thermischen Längenregelung des Fa­ bry-Perot-Interferometers ein ganzzahliges Vielfa­ ches der Länge des Sensorinterferometers sein.

In Fig. 4 ist der gerätetechnische Aufwand dadurch noch weiter verringert, daß die Kollimationsoptiken und Fabry-Perot-Interferometer jeweils in ihrer Funktion zu Selfco-Linsen 22 und 23 vereinigt sind, die an ihren beiden Enden wie ein Fabry-Perot-In­ terferometer verspiegelt sind. Die Auswertung er­ folgt entsprechend einer der Anordnungen nach Fig. 1 oder Fig. 2.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, an dem Y-Koppler 17 mittels weiterer Y-Koppler gleichzeitig mehrere Fabry-Perot-Interferometersensoren anzuschließen, die sämtlich bei gleicher Temperatur geringe Län­ genunterschiede aufweisen.

Durch ein entsprechendes dynamisches Temperaturre­ gime kann die Länge des Auswerte-Fabry-Perot-Inter­ ferometers 11 zyklisch verlängert und verkürzt wer­ den. Damit können nacheinander die Temperaturen der einzelnen Sensorinterferometer ermittelt werden. Alle Sensorinterferometer befinden sich dabei an einem gemeinsamen Bus.

Claims (8)

1. Lichtwellenleitergekoppelte Temperaturmeßvor­ richtung mit einem Sensor-Fabry-Perot-Interferome­ ter (5), das mittels Multimode-Lichtwellenleiter (2, 3, 16) mit Licht niedriger Kohärenz, vorzugsweise mit einer Weißlichtquelle (1), gespeist, und dessen Meßinformationen mittels Lichtwellenleiter (7, 8, 16) zu einer Auswerteeinheit geleitet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich in der Auswerteeinheit ein weiteres Fabry-Perot-Interferometer (11) befindet, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizient und die gleiche Länge wie das Sensor-Fabry-Perot- Interferometer (5) aufweist, das mit dem von diesem kommenden Licht beleuchtet wird und das mit Hilfe von Fotodedektoren (13) abgetastet wird, daß am Fa­ bry-Perot-Interferometer (11) im thermischen Kon­ takt ein elektronischer Temperatursensor (12) befe­ stigt ist und daß das Fabry-Perot-Interferometer (11) und ein Temperatursensor (12) sich gemeinsam in einer Temperiereinrichtung (10) befinden, deren Temperatur in Abhängigkeit von Signal der Fo­ todedektoren über eine Auswerte- und Regelschaltung (14) so geregelt wird, daß der achromatische streifen nullter Ordnung detektiert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Versorgung mit Licht niedriger Kohä­ renz und die Abtastung der Meßinformation mittels Y-Lichtwellenleiterkoppler (17) in Reflexionsrichtung des Sensor-Fabry-Perot-Interferometers (5) nur mit einem Multimode-Lichtwellenleiter (3) erfolgt.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Fabry- Perot-Interferometers (19) der Auswerteeinheit ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des Sensor-Fabry- Perot-Interferometer (5) beträgt oder umgekehrt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß beide Fabry-Perot-Inter­ ferometer jeweils aus einem Stück teilverspiegeltem Gradientenindex-Lichtwellenleiter bestehen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fabry-Perot-Interfe­ rometer jeweils aus einer teilverspiegelten Selfoc-Linse bestehen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Fabry-Perot-Interfe­ rometer der Auswerteeinheit bei Temperaturgleich­ heit geringfügig kürzer als das Sensorinterferome­ ter ist und die Temperiereinrichtung nur aus einer Heizvorrichtung (18) besteht.

7. Anordnung, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizwicklung der Temperiereinrichtung alternierend zur thermischen Längenregelung und zur temperaturabhängigen Widerstandsmessung dient.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Sensor-Fabry- Perot-Interferometer mit geringfügiger Längendiffe­ renz untereinander, so daß sich die Längen inner­ halb der jeweiligen Meßbereiche nicht überschnei­ den, mit einem Auswerte-Fabry-Perot-Interferometer verbunden sind.