DE4322291C2

DE4322291C2 - Optische Kraftmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4322291C2
Application number: DE19934322291
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Holzapfel; Walter Settgast
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1993-07-05
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2013-07-06
Also published as: DE4322291A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Kraftmeßeinrichtung mit frequenzanalogem, elektrischem Ausgangssignal, die zur Messung der Kraft oder einer daraus abgeleiteten Meßgröße, wie Beschleunigung, Druck oder Masse, eingesetzt werden kann.

Laseroptische Systeme, die ein frequenzanaloges Ausgangssignal erzeugen, sind für die Messung der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung von Bedeutung und Gegenstand mehrerer Patente und Offenlegungsschriften (US 4 233 847, EP 0 229 448, DE 36 19 498 A1, US 4 841 774).

Auch die Verwendbarkeit von strahlungsaktiven optischen Bauteilen und Anordnungen für die Erfassung von Kräften bzw. kraftverwandten Größen ist an und für sich bekannt. So beschreibt die Druckschrift DE 32 10 086 A1 eine Luminiszenzdiode in integrierter III-V-Halbleitertechnologie, bei der die Helligkeit der Lichtemmission von der Druckkraft abhängig ist. Es ist auch bekannt, daß Luminiszenz- und Laserdioden ihre Strahlungswellenlänge abhängig vom Umgebungsdruck verändern können (D. Meyershofer, R. Braunstein, Applied Physics Letters (1963)). Diese Änderung der Strahlungsgrößen bei Halbleiterdioden basiert im Prinzip auf einer druckinduzierten Veränderung des Bandabstandes im Material.

Aus der wissenschaftlichen Literatur ist ferner bekannt, daß Laseroszillatoren mit resonatorinterner Phasenanisotropie Strahlungsanteile mit orthogonalen Polarisationsebenen emittieren können (M. Doyle, M. B. White, Appl. Phys. Lett, (1964), 10, Seite 193-195).

Es ist aus mehreren Patenten (Patent US 3,517,560, US 3,786,681, US 3,800,594, US 4,048,859), die den resonatorinternen photoelastischen Effekt nutzen, bekannt, wie die Kraft optisch gemessen werden kann. Diesen Paten ten ist allen gemeinsam, daß sie einen modularen (hybriden) Aufbau beschreiben, d. h. die Nutzung eines laseraktiven Materials und eines weiteren photoelastischen Materials. Als laseraktives Material wird in diesen Patentschriften immer ein Gas (z. B. He-Ne-Gemische) angegeben, das sich in der Regel in einem durch transparente Fenster abgeschlossenen Volumen befindet. Als kraftsensierendes Element ist zusätzlich ein photoelastisches Material in dem Resonator angeordnet.

Ein weiterer Lösungsvorschlag zur Messung der Kraft oder der Beschleunigung ist in der deutschen Patentschrift DE 26 33 178 enthalten. Hier wird zusätzlich eine aktive Stabilisierung einer der orthogonal polarisierten optischen Moden im Resonator vorgeschlagen, mit der eine Unterdrückung von Störeinflüssen, wie Temperatur, Vibration usw., erreicht wird. Praktische Untersuchungen mit Laserkraftmessern (Holzapfel, W.; Settgast, W.; Applied Optics 28 (1989) Seite 4585-4594), (Holzapfel, W.; Settgast, W.; Applied Physics B 49, (1989) Seite 169-172), bei denen He-Ne-Laser und photoelastische Glaselemente genutzt werden, zeigen, daß wegen störender Modensprünge und Driften Kraft messungen nur mit aktiver Stabilisierung des modularen Meßoszillators möglich sind. Insbesondere wird bei Holzapfel, W.; Settgast, W.; Technisches Messen tm 57 (1990) 9, Seite 323-334), eine solche modulare Laserkraftmeßeinrichtung beschrieben, bei der sich im Resonanzraum, gebildet aus zwei separaten Resonatorspiegeln, ein separater He-Ne-Gasentladungsverstärker und ein davon separierter photoelastischer Modulator (PEM) befinden. Dieser Modulator besteht aus Glasmaterial und dient als kraftgesteuertes Aufnehmerelement, welches polarisationsabhängig die Lichtphase im Laserresonator beeinflußt.

Es wird somit bisher davon ausgegangen, daß diese resonatorinternen photo elastischen optischen Kraftsensoren außer den seperaten Laserspiegeln immer ein separates laseraktives Material und ein davon getrenntes photoelastisches Material benötigen.

Von Nachteil bei den zuvor angegebenen Kraftmessern ist, daß durch den Ein satz mehrerer separater Bauelemente (Gasentladungsstrecke als laseraktives Material mit Abschlußfenstern, photoelastisches Material, Spiegelkörper) in einem Resonator die Grenzflächen (Anzahl n) der Bauteile unerwünschte Subresonatoren (Anzahl: 0,5n . (n + 3)) bilden, die im allgemeinen die Auflösung des Kraftsensors durch eine erhöhte Frequenzinstabilität vermindern und die Störanfälligkeit des Systems erhöhen. Weiterhin kann die Kraftmessung mit den bislang vorgeschlagenen Kraftmeßgeräten fehlerhaft sein, wenn durch eine äußere Störung die relative Lage zwischen dem Sensorelement und der Strahlachse des Resonators verändert wird. Außerdem haben die bisher vorgeschlagenen Kraftmeßeinrichtungen aufgrund ihrer modularen Bauweise und der schwachen optischen Verstärkungsfaktoren der Gasentladungs strecken große Resonatorlängen. Diese großen Abmessungen bedingen eine geringe Empfindlichkeit und nur eine eingeschränkte Nutzbarkeit für industrielle Anwendungen. Weiterhin werden in allen bekannten technischen Lösungen Glas- bzw. Glasfasermaterialien zur photoelastischen Kraftwandlung vorgeschlagen bzw. verwendet. Diese Materialien sind jedoch eingefrorene unterkühlte Flüssigkeiten und zeigen wegen ihrer vergleichsweise hohen Atombeweglichkeit deutliche Kriech- und Hysteresefehler bei der Kraftmessung. Bei Verwendung von Glasfasern mit plastischen Kern- bzw. Mantel eigenschaften ist dieses ungünstige Verhalten extrem verstärkt. Diese Nachteile verhindern eine genaue Kraftmessung und sind bislang überhaupt nicht erkannt worden.

Ein prinzipieller Nachteil bei der Verwendung von Luminiszenz - und Laserdioden als Kraftsensoren (z. B. DE 32 10 086) besteht schließlich darin, daß sowohl die Intensität als auch die Wellenlänge der Strahlung nicht nur von der Druckkraft, sondern auch stark von der Temperatur und von der Injektionsstromstärke abhängen. Diese Verkopplung der Einflußgrößen führt zu störenden Fehlern bei der Kraftmessung, deren Kompensation aufwendige Stabilisierungsmaßnahmen erfordern. Die intensitätsanaloge Messung der Kraft ist zudem wegen des störenden Rauschens in der Diodenstrahlung bezüglich der Auflösung begrenzt. Die Messung von kraftinduzierten Wellenlängen änderungen erfordert andererseits aufwendige Gitterspektrographen. Wegen der vergleichsweise großen Bandbreite der Diodenstrahlung ist nur eine geringe Auflösung zu erwarten. Beim Betrieb muß die Diode zudem immer mit Stromzuführungsleitungen kontaktiert werden, so daß mechanische Störkräfte auftreten können, die sich der Meßkraft überlagern. Daher sind Dioden, die einen pn-Übergang als lichtaktive Zone verwenden, für genaue Kraft messungen nicht geeignet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik die Anzahl der Bauteile im Resonator des Sensor-Oszillators der Kraftmeßeinrichtung zu minimieren und somit die Anzahl der störenden resonatorinternen Grenzflächen zu verringern. Außerdem soll die Möglichkeit der Verlagerung zwischen Aufnehmerelement und Resonatorachse minimiert werden und die Baugröße verringert werden. Die Meßempfindlichkeit sollte ge steigert werden, um in Verbindung mit einer hohen Laserstabilität eine deutlich geringere untere Meßgrenze zu realisieren. Thermische Störeffekte, die z. B. bisher durch die Verwendung einer Gasentladung als optischen Verstärker be dingt sind, sollten verringert werden. Die sekundären mechanischen Kontakte, die z. B. zur Energieversorgung des Meßsystems notwendig sind, sollen mini miert werden. Kriech- und Hystereseeffekte sollen soweit wie möglich durch die richtige Wahl des photoelastischen und des laseraktiven Materials vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die Meßeinrichtung, die durch die Merkmale des An spruches 1 gekennnzeichnet ist, gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Die erfindungsgemäße Kraftmeßeinrichtung ist eine vollmonolithisch-optische Anordnung aus laseraktivem und zugleich photoelastischem Kristallmaterial, die eine präzise Sensierung von Kräften ermöglicht. Sie weist einen frequenzanalogen elektrischen Ausgang auf und nutzt die Vorteile der optischen Signalübertragung in Verbindung mit Frequenzsignalen, so daß das Meßsignal dieser Kraftmeßeinrichtung unabhängig von Intensitäts schwankungen wird, die durch die Übertragungsstrecke verursacht werden können. Diese Kraftmeßeinrichtung kann auch in leicht modifizierter Ausführung zur Messung der von einer Kraft abgeleiteten physikalischen Größen (Beschleunigung, Druck, Masse) angewandt werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung eines vollmonolithischen optischen Sensor-Oszillators, die Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für fasergekoppelte optische Sensor-Oszillatoren in vollmonolithischer Technik, die Fig. 4 erläutert die Anwendung eines aktiven Stabilisierungsverfahrens, welches erforderlichenfalls eingesetzt werden kann.

Anhand des in Fig. 1 näher beschriebenen Grundprinzips wird der Erfindungs gedanke verdeutlicht. In dieser Meßeinrichtung bilden die Spiegel 104 und 105 zusammen mit dem photoelastischen laseraktiven Kristallmaterial 101 einen phasensteuerbaren Resonator. Der Spiegel 104 ist hochgradig transparent für die zur Anregung des Lasers notwendige Pumpstrahlung der Wellenlänge λ_Pump, die z. B. von einer Laserdiode 102 erzeugt wird, und gleichzeitig hochgradig reflektierend für die Laserwellenlänge λ_Laser. Anstelle dieser longitudinal eingestrahlten Pumpstrahlung ist auch transversales Pumpen, d. h., seitliche Einstrahlung in den Kristall, möglich. Auf das auf einem kräfteaus leitenden Gestell 100 gelagerte photoelastische Material wirkt die Eingangs größe Kraft F und induziert in dem Material 101 eine mechanische Spannungs verteilung, die eine veränderte Phasendifferenz in dem Material erzeugt. Die Frequenzänderung f eines phasenanisotropen Resonators zwischen den Resonanzstellen ν₁, ν₂ einer Resonanzordnung wird durch den Gesamt anisotropiegrad A (Holzapfel, W.; Settgast, W.; Technisches Messen tm 57 (1990) 9, Seite 323-334) gekennzeichnet, der sich aus den Polarisationsebenen zugeordneten Anisotropiegraden A₁ und A₂ zu A = A₂-A₁ berechnet. Es gilt

f = FSR . A (1)

mit
FSR = c/2L'_res: Freier Spektralbereich des Resonators,
c: Lichtgeschwindigkeit,
L'_res: = n . L_Res optische Resonatorlänge,
n: optische Brechzahl.

Wirkt die Kraft F bei paralleler Ausrichtung zwischen Kraft und einer durch die Restphasenanisotropie vorgegebenen Polarisationsebene auf das photo elastische Material 101 des Durchmessers D ein, dann ändern sich die Anisotropiegrade A₁ und A₂ und zwar

A₁= -G . (C₀/(λ_Laser . D)) . F

A₂ = G . (C₀/(λ_Laser . D)) . F (2)

mit
C₀: photoelastischer Koeffizient des Materials,
λ_Laser Wellenlänge des Lasers,
G: Geometriefaktor des Aufnehmerelementes.

Für die Frequenzänderung f gilt dann die lineare Abhängigkeit

f = 2 . FSR . G . (C₀/(λ_Laser . D)) . F. (3)

Wird das photoelastische Kristallmaterial, welches erfindungsgemäß gleichzeitig laseraktive Eigenschaften aufweist, z. B. endflächenverspiegelte neodymdotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle (Nd : YAG-Kristalle), durch eine geeignete Strahlungsquelle 102 und Einkopplung 103 optisch gepumpt, so wird aus dem passiven phasenanisotropen Resonator ein aktiver Laser, der die optischen Frequenzen ν₁ und ν₂ emittiert. Dieser Laser enthält somit nur ein Bauteil, welches die Funktion des verstärkenden Mediums für den Laser und die des Sensormaterials erfüllt.

Die Differenz zwischen den beiden ausgekoppelten optischen Frequenzen muß elektronisch gemessen werden, um ein kraftabhängiges Signal zu erhalten. Die Messung kann mit einer optischen Überlagerungseinrichtung und den üblichen Auswerteverfahren erfolgen, d. h. Abbildung der Strahlung auf eine gemeinsame Schwingungsebene mit einem Polarisator und anschließende Überlagerung der Strahlungsanteile auf einer Photodiode zur Bildung der Mischfrequenz, die mit einem elektronischen Zähler oder einem elektronischen Spektrumanalysator gemessen wird.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines photoelastischen und gleichzeitig laseraktiven Materials mit kristalliner Struktur (z. B. Nd : YAG) werden in geschickter Weise auch folgende Vorteile kombiniert:

1. Bei der photoelastischen Wandlung der Kraft in die Frequenz treten keine störenden Kriech- und Hystereseeffekte auf, weil durch die Gitterstruktur des kristallinen Wandlermaterials im Gegensatz zu Gläsern keine Beweglichkeit der Atome unter Krafteinfluß möglich ist.
2. Die optische Linienbreite des Laserlichtes ist bei gleicher Dotierung für kristallines Wirtsmaterial (z. B. Nd : YAG) wesentlich schmaler als für isotropes Wirtsmaterial (z. B. neodymdotiertes Glas). Bei hinreichend hoher Stabilität der Laserwellen-Mittenfrequenz und hoher Meßempfindlichkeit (d. h. kurze Resonatorlänge) kann daher mit dem kristallinen Lasermaterial die untere Meßgrenze (Auflösung) deutlich verbessert werden.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 bilden die Spiegel 104 und 105 und das photo elastische, laseraktive Material 101 zusammen einen vollmonolithischen Sen sor-Oszillator. Diese Ausführungsform bietet die Möglichkeit, sehr kompakte, störunempfindliche, kraftmessende optische Sensor-Oszillatoren herzustellen, da alle Grenzflächen im Resonator, die störende Auswirkungen erzeugen können, eliminiert sind. Eine hohe Meßempfindlichkeit wird erzielt, wenn bei der Dimensionierung des Sensor-Oszillators ein möglichst kurzer Resonator verwendet wird.

Die Ausführung nach Fig. 2 verdeutlicht, wie eine vollständig fasergekoppelte Kraftmeßeinrichtung aufgebaut sein kann. Hier wird die Pumpstrahlung der Strahlungsquelle 201, falls notwendig, mittels einer Optik 202 eingekoppelt in einer optischen Faser 203 geführt und in den Sensor-Oszillator eingespeist. Die vom Sensor-Oszillator (204, 205, 206) emittierte Strahlung wird ebenfalls vom Oszillator über eine Faser 208 zu der Auswerteeinheit 209 geführt. Damit ist es möglich, einen Sensor-Oszillator zu realisieren, der auch in explosions gefährdeten Bereichen eingesetzt werden kann. Die opto-elektronischen Bauteile, wie Strahlungsquelle 201 und Auswerteeinheit 209, können abgesetzt vom Sensor-Oszillator in einer Einheit zusammengefaßt werden. In einer alternativen Realisierung können zur Versorgung mehrerer Sensor-Oszillatoren Leistungsteiler in faseroptischer Ausführung verwendet werden.

Die Ausführung nach Fig. 3 vereinfacht die faseroptische Ankopplung dadurch, daß nur eine Faser 305 für die Zuführung der Pumpstrahlung zum Sensor- Oszillator 306, 307 und für die Fortleitung der Signalstrahlung verwendet wird. Die Trennung 303 der Signalstrahlungsanteile von denen der Pumpstrahlung erfolgt z. B. mit einem dichroitischen Strahlteiler oder über einen wellenlängen abhängigen Faserkoppler. Die Verwendung nur einer Faser erleichtert die Möglichkeit, die Versorgungs- und Auswerteeinheit für mehrere Sensor- Oszillator-Module zu verwenden. Dafür wird die Ankopplung der Faser an den Sensor-Oszillator z. B. mit einem Faserstecker genügender Präzision durchgeführt, der keine weitere Justage benötigt. Somit ist eine einfache Anpassung des Meßbereiches und der Meßempfindlichkeit über einen Aus tausch des Sensor-Oszillators möglich.

Die Ausführung nach Fig. 4 erlaubt über die vorgesehene Regeleinrichtung (502 bis 506) die Art der Frequenzverstimmung der beiden optischen Frequenzen ν₁, ν₂ zu verändern. Je nach Einstellung der Regelschaltung erfolgt bei einer Krafteinwirkung die Variation der Frequenz symmetrisch oder asymmetrisch zur Ausgangsabstimmung der Signalanteile. So wird gewähr leistet, daß bis zur maximalen Krafteinwirkung die optischen Moden innerhalb der laserfähigen Bandbreite bleiben und so die obere Meßgrenze maximal ausgenutzt wird. Mit einer Regeleinrichtung ist eine aktive Kompensation der polarisationsunabhängigen Störungen möglich, so daß eine Verbesserung der Auflösung durch höhere Laserstabilität gegeben ist.

Claims

1. Hochempfindliche optische Kraftmeßeinrichtung mit frequenzanalogem, elektri schem Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem starren, kräfteausleitenden Gestell (100) verbundene Sensorelement (101) aus einem laserfähigen Kristall (geometrische Länge L) mit photoelastischen Eigenschaf ten besteht, welcher mittels der Strahlungsquelle (102) auf der Wellenlänge λ_Pump, die auf die laseraktiven Eigenschaften des Materials abgestimmt ist und über die Optik (103) in das Sensorelement (101) einkoppelt, optisch gepumpt wird und welcher an seinen Enden beide Resonatorspiegel (104 und 105) trägt und so einen vollmonolithischen optischen Sensor-Oszillator der geometrischen Länge L_Res = L bildet, auf den als Eingangsgröße die Kraft F in orthogonaler Richtung zur Resonatorachse einwirkt und die ausgekoppelten orthogonal polarisierten Strahlungsanteile der Wellenlänge λ_Laser hinsichtlich ihrer Frequenzen ν₁ und ν₂ verändert, so daß durch die optische Überlagerungseinrichtung (106) ein frequenzanaloges elektrisches Aus gangssignal mit der Frequenz f = |ν₂ - ν₁| entsteht, welches von der Kraft F ab hängt.

2. Hochempfindliche optische Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die optische Leistung, die durch die Pumpquelle (201) zur Anregung der Lasertätigkeit erzeugt wird, über eine Einkoppeloptik (202) und eine Lichtleitfaser (203) zugeführt wird und daß die aus dem Auskoppelresona torspiegel austretende Laserstrahlung mit den Frequenzen ν₁, ν₂ des Sensor- Oszillators (205) mit Resonatorspiegeln (204, 206) mittels einer Optik (207) in eine optische Lichtleitfaser (208) eingekoppelt wird und über diese Faser zu der optischen Überlagerungseinrichtung (209) geleitet wird, so daß ein elektrisches Frequenzsignal f erzeugt wird, welches proportional zu der einwirkenden Kraft F ist.

3. Hochempfindliche Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die optische Leistung, die durch die Strahlungsquelle (301) zur Anregung der Lasertätigkeit erzeugt wird, über eine Einkoppeloptik (302), einen wellenlängenabhängigen Strahlteiler (303), eine Anpassungsoptik (304), eine Lichtleitfaser (305) und eine bidirektionale Kollimationsoptik (306) dem Sensor- Oszillator (307) zugeführt wird und daß die aus dem Auskoppelresonatorspiegel austretende Laserstrahlung mit den Frequenzen ν₁, ν₂ mit der Optik (306) - wieder in die optische Lichtleitfaser (305) eingekoppelt wird und über diese Faser und den wellenlängenabhängigen Strahlteiler (303) zu der optischen Überlagerungseinrichtung (308) geleitet wird, so daß aus der Überlagerung optischer Signalanteile ein Frequenzsignal erzeugt wird, welches proportional zu der einwirkenden Kraft F ist.

4. Hochempfindliche optische Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kristall des Sensorelementes ein neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall (Nd : YAG) verwendet wird.

5. Hochempfindliche optische Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ausgekoppelten Signal strahlung des Sensoroszillators (501) mit den Frequenzanteilen ν₁ und ν₂ mittels eines Strahlteilers (502) in orthogonal polarisierte Strahlungskompo nenten aufgeteilt wird und daß die orthogonal polarisierten Strahlungsanteile über optische Photodetektoren (503, 504) mit nachfolgender elektronischer Regelschaltung (505) und elektromechanischem oder elektrooptischem Stellglied (506) dazu verwendet werden, um die optischen Frequenzen ν₁ und ν₂ der zur Kraftmessung verwendeten Signalanteile innerhalb der laserfähigen Bandbreite zu stabilisieren, und daß ein anderer Teil der optischen Strahlung mit den Frequenzanteilen ν₁ und ν₂ in einer opto-elektronischen Einheit (507) zu dem kraftabhängigen Frequenzsignal f = ν₂ - ν₁ ausgewertet wird.