DE68901681T2

DE68901681T2 - Faseroptischer versetzungssensor.

Info

Publication number: DE68901681T2
Application number: DE8989401034T
Authority: DE
Inventors: Michele Brevignon; Dominique Rojas; Marc Turpin
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2009-04-15
Also published as: EP0338902B1; US4926040A; FR2630537A1; EP0338902A1; FR2630537B1; DE68901681D1; JPH01318903A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser und insbesondere auf einen Meßwertaufnehmer mit doppelbrechender Lichtleitfaser, der Messungen von Bewegungen in der Größenordnung von 50 bis 100 mm mit einer relativen Genauigkeit von 10&supmin;³ erlaubt. Dieser Typ von Meßwertaufnehmer kann für Messungen sowohl von linearen Bewegungen als auch von Winkelbewegungen verwendet werden.
Es sind zahlreiche Bewegungsmeßwertaufnehmer, die Lichtleitfasern verwenden, beschrieben worden. Meistens sind diese Meßwertaufnehmer vom extrinsischen Typ, d.h., daß die verwendete(n) Lichtleitfaser(n) kein Meßwandlerelement bilden und im wesentlichen für die Informationsübertragung verwendet werden. Es sind Strukturen für Meßwertaufnehmer vorgeschlagen worden, die die Phasenverschiebung von in der Lichtleitfaser sich ausbreitenden Wellen ausnutzen und interferometrische Montageeinheiten (im allgemeinen Mach-Zehnder-Interferometer) verwenden. In diesem Typ von Meßwertaufnehmer, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, emittiert eine Quelle 10 ein Bündel von polarisiertem Licht in einen Referenzzweig 11 und in einen Meßzweig 12. Die Zweige 11 und 12 sind an ein Lesesystem gekoppelt und erlauben eine interferometrische Messung. Der Zweig 11 der interferometrischen Montageeinheit dient als Referenz. Im Meßzweig 12 befindet sich ein Meßwandlerelement 13. Im Meßzweig 12 ist die Lichtleitfaser im allgemeinen unterbrochen und an ein äußeres System gekoppelt, das selbst gegenüber Bewegungen empfindlich ist. Diese Meißwertaufnehmer scheinen insbesondere für Messungen von kleinen Bewegungen (einige 100 Mikrometer) geeignet zu sein. Andere interferometrische oder nicht interferometrische Meßwertaufnehmer verwenden ein Fühlerelement, das am Ende der Faser angeordnet ist (Mikro-Interferometer von Fizeau oder System, das den übertragenen oder reflektierten Lichtstrom variiert). Ein solcher Meßwertaufnehmer ist in Fig. 2 mit einer Quelle 10, die ein Lichtbündel in eine Lichtleitfaser 14 emittiert, dargestellt. Das Licht wird von einem für Bewegungen empfindlichen Element 15 an eine Faser 16 und an einen Detektor 17 reflektiert. Indessen erlauben solche Meßwertaufnehmer nur die Messung von kleinen Bewegungen.
Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer, der die Messungen von Bewegungen mit großen Amplituden, die beispielsweise zehn Zentimeter erreichen können, mit einer großen relativen Genauigkeit (beispielsweise 10&supmin;³) erlaubt.
Außerdem kann sich der Meßwertaufnehmer in einem Abstand (beispielsweise mehrere 100 m) vom interferometrischen Meßsystem befinden, ohne daß die der Verbindungsfaser eigenen Fehler auf die Messung einen Einfluß haben.
Schließlich erlaubt das System der Erfindung einen Multiplexbetrieb von mehreren Meßwertaufnehmern auf derselben Meßfaser und somit mehrere Messungen vom selben Typ oder verschiedenen Typs.
Die Erfindung betrifft daher einen Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser, mit:
- einer Lichtquelle für entlang einer Polarisationsachse linear polarisiertes Licht;
- einer doppelbrechenden Lichtleitfaser, von der eine Eingangsseite mit der Lichtquelle gekoppelt ist, wobei eine Doppelbrechungsachse auf die Polarisationsachse des von der Lichtquelle emittierten Lichts ausgerichtet ist und wobei diese Lichtleitfaser wenigstens zwei Kopplungspunkte zwischen den zwei Ausbreitungsachsen, der langsamen und der schnellen Achse, besitzt, die räumlich begrenzt und fest sind und sich in einem bestimmten Abstand voneinander befinden;
- wenigstens einem beweglichen Kopplungsmittel zwischen den zwei Ausbreitungsachsen, der langsamen und der schnellen Achse, das die Herstellung einer Kopplung zwischen den zwei Polarisationsachsen der Faser an einem beweglichen Kopplungspunkt der Faser erlaubt;
- einem Analysemittel, das mit dem Ausgang der Faser gekoppelt ist und die Erfassung der Interferenzen erlaubt, die an den verschiedenen in der Faser hergestellten Kopplungen hervorgerufen werden.
Die verschiedenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden deutlicher in der folgenden beispielhaften Beschreibung, in der auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird, von denen:
- die Fig. 1 und 2 in der Technik bekannte und oben bereits beschriebene Ausführungsbeispiele zeigen;
- Fig. 3 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers zeigt;
- Fig. 4 ein vollständigeres Beispiel des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers zeigt;
- Fig. 5 eine Erläuterung der Faraday-Drehung der Lichtpolarisation ist;
- Fig. 6 ein Funktionsdiagramm des kohärenten Lesens des Meßwertaufnehmers von Fig. 4 zeigt;
- Fig. 7 eine Anwendung des Meßwertaufnehmers der Erfindung auf einen linearen Meßwertaufnehmer zeigt:
- Fig. 8 eine Anwendung des Meßwertaufnehmers der Erfindung auf einen Winkel- Meßwertaufnehmer zeigt;
- Fig. 9 eine Anwendung des Meßwertaufnehmers der Erfindung auf einen mehrere Meßpunkte aufweisenden Meßwertaufnehmer zeigt.
Zunächst wird mit Bezug auf Fig. 3 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel des Bewegungsmeßwertaufnehmers gemäß der Erfindung beschrieben.
Dieser Meßwertaufnehmer umfaßt hauptsächlich eine Einmoden-Lichtleitfaser 2 mit Erhaltung der linearen Polarisation, auf der zwei Kopplungspunkte A und B zwischen den zwei Ausbreitungsachsen, der langsamen und der schnellen Achse der doppelbrechenden Faser, verwirklicht sind. Diese zwei Kopplungspunkte A und B sind fest und begrenzen ein zur Messung geeignetes Segment LM der Faser, um die relativen Positionen eines dritten, beweglichen Kopplungspunktes M, der sich in diesem Segment befindet, zu bestimmen. Die Messung der relativen Abstände, die den beweglichen Kopplungspunkt von den festen Kopplungspunkten trennen, erlauben die Messung der absoluten Bewegung des beweglichen Kopplungspunktes.
Die Temperaturschwankungen führen zu mehr oder weniger großen Schwankungen der Doppelbrechungseigenschaft der Fasern, die die Differenzen des Lichtweges der auf diesem sich ausbreitenden polarisierten Wellen modifizieren, wodurch die Länge, durch die zwei aufeinanderfolgende Kopplungspunkte voneinander getrennt sind, virtuell modifiziert wird. Die Messung der zwei Differenzen der angrenzenden und komplementären Lichtwege, die durch die drei Kopplungspunkte definiert sind, erlaubt die Ausführung einer Längenmessung unter Befreiung von den Temperaturproblemen. Es können Fasern mit Erhaltung der linearen Polarisation verwirklicht werden, die gegenüber der Temperatur sehr wenig empfindlich sind.
Eine Einmodenfaser mit Erhaltung der linearen Polarisation wie etwa die Faser 2 ergibt sich durch die Erzeugung einer starken elastooptischen Doppelbrechungseigenschaft in einer intrinsische Belastungen erzeugenden Zone der Einmodenfaser. Ein klassisches Beispiel einer solchen Faser besitzt die folgende Struktur: Auf jeder Seite des Kerns sind zwei extrem dotierte Stäbe angeordnet. Beim Ziehen der Faser sind die verschiedenen Gläser zunächst zähflüssig, um sich anschließend zu verfestigen. Beim Abkühlen auf die Umgebungstemperatur ziehen sich die dotierten Stäbe, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der weit oberhalb desjenigen der restlichen Struktur liegt, zusammen und üben daher auf den Kernbereich eine Zugspannung aus. Durch einen elastooptischen Effekt erzeugt diese Spannung die Doppelbrechungseigenschaft.
Doppelbrechende Fasern können mit einem Kern mit elliptischer Form erhalten werden. Die Abhängigkeit der Doppelbrechungseigenschaft von der Temperatur ist in diesen Fasern geringer.
Diese Doppelbrechungseigenschaft wird oft durch die Schwebungslänge LB definiert, d.h. durch die Länge, nach deren Durchlaufen die Polarisationen in Richtung der zwei zueinander senkrechten neutralen Achsen der Fasern um 2π rad phasenverschoben sind. Diese Länge liegt typischerweise in der Größenordnung zwischen 1 und 5 mm.
Die Faser 2 besitzt daher zwei neutrale Achsen X und Y.
Entsprechend den Ausbreitungsindizes der Faser entspricht eine der Achsen, beispielsweise X, der langsamen Ausbreitungsachse, während die andere Achse (Y) der schnellen Ausbreitungsachse entspricht.
Die Quelle 1 emittiert ein Bündel von linear polarisiertem Licht und ist mit der Faser 2 so gekoppelt, daß das Licht am Eingang der Faser in einer Polarisationsrichtung PyE, die zu einer neutralen Achse der Faser parallel ist, polarisiert ist. Im Beispiel von Fig. 3 ist diese Polarisationsrichtung PYE entlang der Y-Achse orientiert, die beispielsweise die schnelle Achse der Faser ist.
Wenn in einer solchen Faser an einer bestimmten Stelle eine besondere Belastung oder ein Fehler vorhanden ist, wird das in Richtung einer neutralen Achse der Faser polarisierte Licht außerdem teilweise in Richtung der anderen neutralen Achse der Faser polarisiert. Man sagt, daß eine Kopplung der Polarisationen auftritt und daß ein Kopplungspunkt vorhanden ist. Aus diesem Kopplungspunkt heraus breiten sich in der Faser zwei Wellenzüge mit verschiedenen Geschwindigkeiten in Richtung der zwei Doppelbrechungsachsen aus.
Die festen Kopplungspunkte A und B können auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Ein interessantes Verfahren besteht in einer elastischen Verdrehung der Faser und in der anschließenden lokalen Erwärmung mittels eines Lichtbogens, eines Schweißbrenners oder einer Laserquelle. Im Erwärmungspunkt entspannt sich die Verdrehung, wodurch eine Drehung der neutralen Achsen und daher eine lokalisierte Kopplung erzeugt wird, ohne irgendwelche Verluste zu erzeugen, weil der Kern der Faser nicht unterbrochen wird. Diese Kopplungspunkte können durch andere Verfahren erzeugt werden, insofern sie in festen, gut lokalisierten Punkten erzeugt werden und die Kontinuität des Kerns dieser Faser nicht zerstören.
Der bewegliche Kopplungspunkt M kann durch eine Induktionseinrichtung erzeugt werden, die mit dem beweglichen Element verbunden ist, von dem die Bewegung gemessen werden soll. Eine interessante Lösung ist die Ausnutzung des Faraday- Effektes, der die lokale Herstellung einer Polarisationsdrehung erlaubt, die zu einem Kopplungspunkt äquivalent ist. Diese Lösung besitzt den Vorteil, daß sie kontaktlos und reversibel ist. Die Faraday-Drehung wird mit Hilfe eines Elektromagneten (oder eines Permanentmagneten) erhalten, dessen Luftspalt in der Größenordnung von einigen 100 Mikrometern die Gewinnung von Feldlinien erlaubt, die zur Lichtleitfaser kollinear sind. Das Verfahren des verwendeten interferometrischen Wiederlesens, das weiter oben beschrieben worden ist, benötigt keine starken Kopplungspunkte, wodurch die Verwendung von gewöhnlichen Magnetfeldern möglich ist.
Der Winkel der Faraday-Drehung ist durch die Beziehung θ = V H L gegeben. Die Verdet-Konstante V für Siliziumdioxid liegt bei der Wellenlänge von 0,84 Mikrometern in der Größenordnung von 2,5 10&supmin;&sup6; rad/Ampère. Für einen Kopplungspunkt von 10&supmin;³ und eine Wechselwirkungslänge von 1 mm liegt das erforderliche Feld in der Größenordnung von H = 0,5 Tesla.
Die Fig. 5 erläutert diese Faraday-Drehung um den Polarisationswinkel θ. Eine in Richtung E0y polarisierte Welle erfährt auf einer Länge 1, entlang der ein Magnetfeld H anliegt, eine Drehung um den Drehwinkel θ. Die polarisierte Welle E1 wird daher in eine polarisierte Welle E1y und in eine polarisierte Welle E1x in Richtung der zwei neutralen Achsen der Faser 1 zerlegt.
Es wird festgestellt, daß jedes andere, beispielsweise mechanische oder thermische Mittel, das für die Erzeugung eines beweglichen Kopplungspunktes im weiter oben definierten Fasersegment geeignet ist, im Umfang der Erfindung liegt.
Zur Erläuterung der Funktion des Meßwertaufnehmers der Erfindung sind in Fig. 3 vier Zonen ZA, ZM, ZB, ZP der Faser 2 abgegrenzt worden.
Die Quelle 1 emittiert daher in die Faser 2 einen Wellenzug, dessen Polarisation PyE in der Zone ZA vor Erreichen des Kopplungspunktes A entlang der schnellen Achse Y orientiert ist.
Aus diesem Kopplungspunkt A heraus breiten sich entlang des Lichtweges zwei Wellenzüge mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Richtung der Doppelbrechungsachsen X und Y aus. In der Zone ZA hinter dem Kopplungspunkt A sind daher zwei Wellenzüge vorhanden: Ein primärer (schneller) Wellenzug, der entlang PyA0 polarisiert ist, und ein erster, gekoppelter (langsamer) Wellenzug, der entlang PxA0 polarisiert ist.
Diese zwei Wellenzüge erreichen die Zone ZM. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung der Doppelbrechungsachse X geringer als die Geschwindigkeit in Richtung der Achse Y ist, erreicht der entlang PyA1 (die PyA0 entspricht) polarisierte Wellenzug die Zone ZM vor dem in Richtung PxA1 (die PxA0 entspricht) polarisierten Wellenzug. Im beweglichen Kopplungspunkt M erfährt der in Richtung PyA1 polarisierte primäre Wellenzug eine Polarisationskopplung und erzeugt einen in Richtung PyM0 (entlang der schnellen Achse Y) polarisierten primären Wellenzug und einen in Richtung PxM0 polarisierten zweiten gekoppelten Wellenzug.
In der Zone ZB eilt der primäre Wellenzug (PyM2) vor Erreichen des Kopplungspunkts B dem zweiten gekoppelten Wellenzug (PxM2) voraus, der wiederum dem ersten gekoppelten Wellenzug (PxA2) vorauseilt. Im festen Kopplungspunkt B erzeugt der Wellenzug PyM2 einen primären Wellenzug PyB0 und einen gekoppelten Wellenzug PxB0.
In der Zone ZP, die unmittelbar vor dem Eingang des Detektors 3 liegt, eilt der primäre Wellenzug PyB3 dem im zweiten festen Kopplungspunkt B erzeugten dritten gekoppelten Wellenzug PxB3 voraus, der wiederum dem im beweglichen Kopplungspunkt M erzeugten zweiten gekoppelten Wellenzug PxM3 vorauseilt, wobei dieser zweite gekoppelte Wellenzug PxM3 selbst dem ersten gekoppelten Wellenzug PxA3 vorauseilt, der im ersten festen Kopplungspunkt A erzeugt worden ist.
Der Detektor 3 empfängt somit diese vier Wellenzüge. Er erfaßt die zeitabhängigen Positionen dieser verschiedenen Wellenzüge und leitet daraus die relative Position des zweiten gekoppelten Wellenzuges PxM3 in bezug auf den ersten gekoppelten Wellenzug PxA3 und den dritten gekoppelten Wellenzug PXB3 ab. Diese relative Position ergibt die relative Position des beweglichen Kopplungspunktes M in bezug auf die zwei festen Kopplungspunkte A und B, was die Lagebestimmung des Punktes M auf der Länge der Lichtleitfaser LM erlaubt.
Der Detektor 3 erlaubt die Ausführung einer Messung vom interferometrischen Typ. Durch Definition ist die lineare Doppelbrechung B einer Lichfleitfaser durch das Zwischenglied der Schwebungslänge LB (die Länge der Faser, die notwendig ist, um zwischen den zwei Ausbreitungsmoden der gekreuzten Polarisationen eine Phasenverschiebung von 2π zu erhalten) gegeben. Die Beziehungen, die die verschiedenen Parameter in Beziehung setzen, sind im folgenden angegeben:
-B= nx - ny, LB = k/B
mit
- k: Wellenlänge
- nx und ny: Brechungsindizes in Richtung einer jeden Polarisationsachse.
Es ist unmittelbar einsichtig, daß die Bewegung eines beweglichen Kopplungspunktes über eine Länge der Faser, die gleich LB ist, zum Durchgang eines Interferenzstreifens und daher zu einer Verschiebung um eine Wellenlänge in einem Interferometer mit freier Ausbreitung in Luft führt.
Erfindungsgemäß wird eine Lichtquelle vorgesehen, die eine schwache Kohärenz besitzt (beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn Wellenlängen), was die Messung von Bewegungen in der Größenordnung von einigen zehn Schwebungslängen erlaubt.
Beispielsweise kann mit einer doppelbrechenden Faser mit der Schwebungslänge LB = 1 mm eine Bewegung von 100 mm, die 100 Interferenzstreifen entspricht, gemessen werden. Die Genauigkeit beim Lesen des Interferenzstreifensystems kann extrem sein, jedoch erlaubt eine einfache Messung beispielsweise auf ein Zehntel eines Interferenzstreifens eine Bewegungsgenauigkeit von 100/1000 = 0,1 mm, also eine relative Genauigkeit von 10&supmin;³.
Die Anzeige (im Sinn der interferometrischen Messung) der drei für die Messung des Meßwertaufnehmers erforderlichen Kopplungspunkte wird durch Verwendung einer schwach kohärenten Lichtquelle erhalten.
Die Fig. 4 zeigt ein genau dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Bewegungsmeßwertaufnehmers gemäß der Erfindung.
Die Quelle 1 emittiert in die Faser 1 eine linear polarisierte Welle Py. Diese Welle erfahrt im festen Kopplungspunkt A eine erste Kopplung, dann im beweglichen Kopplungspunkt M eine zweite Kopplung und schließlich im festen Kopplungspunkt B eine dritte Kopplung. Die Wirkung dieser verschiedenen Kopplungen ist derart, wie sie mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben worden ist.
Nach dem Kopplungspunkt B werden die primären und die gekoppelten Wellenzüge im selben Polarisationszustand in einer zum Detektor 3 führenden Verschiebungsfaser 2' verschoben. Auf diese Weise sind die störenden Wirkungen, die die Faser 2' beeinflußen können, auf die im Faserelement 2 an den gekoppelten Wellenzügen hergestellten Verzögerungen ohne Wirkung. Ein mit der Faser 2' gekoppelter Polarisator 4, der am Eingang des Detektors 3 angeordnet ist, erlaubt daher die Beseitigung der störenden Wirkungen.
Der Polarisator 4 überträgt somit vier Wellenzüge, deren Polarisationsrichtungen PyB4, PxB4, PxM4 und PxA4 parallel sind.
Diese Wellenzüge werden an ein Interferometer vom Michelson-Typ geschickt, das einen halbreflektierenden Eingangsspiegel 5 besitzt, der das vom Polarisator 4 austretende Licht an einen Spiegel 6 und an einen Spiegel 7 überträgt. Nach der Reflexion durch die Spiegel 6 und 7 werden die Wellenzüge in einen Meßzweig 9 geschickt, worin sie interferieren. Eine Meßeinrichtung 8 erlaubt die Messung der Interferenzen zwischen den durch die zwei Spiegel 6 und 7 reflektierten Wellenzügen.
Der Spiegel 6 ist in Richtung des aus dem halbreflektierenden Spiegel 5 austretenden Lichtbündels verschiebbar. Die die Spiegel 6 und 7 umfassenden Lichtwege können daher verschiedene Längen besitzen, wobei ihre Verschiebung erlaubt, die Wellenzüge wieder in Koinzidenz zu bringen, derart, daß Interferenzen erzeugt werden. Die Fig. 6 zeigt beispielhaft auf einer Linie a die vom Spiegel 6 zurückübertragenen Wellenzüge und auf einer Linie b die vom Spiegel 7 zurückübertragenen Wellenzüge.
Die Überlagerung des vom Spiegel 6 reflektierten Wellenzuges PxB4 und des vom Spiegel 7 reflektierten Wellenzuges PyB4 erzeugt eine Interferenz.
Die Differenz der Längen der Lichtwege im Interferometer steht mit der Verzögerung zwischen dem primären Wellenzug (PyB4) und dem gekoppelten Wellenzug (PxB4) in Beziehung.
Die Lokalisierung der anderen gekoppelten Wellenzüge PxA4 und PxM4 findet auf die gleiche Weise statt. Die relative Position des gekoppelten Wellenzuges PxM4 in bezug auf die Wellenzüge PxA4 und PxB4 liefert die relative Position des beweglichen Kopplungspunktes M in bezug auf die festen Kopplungspunkte A und B.
Im Interferometer von Fig. 4 ist ein beweglicher Spiegel 6 vorgesehen, indessen ist jedes Mittel geeignet, das es erlaubt, die Länge des optischen Weges wenigstens in einem Zweig des Interferometers variabel zu machen.
Der Bewegungsmeßwertaufnehmer der Erfindung nutzt also die Eigenschaften von Einmoden-Lichtleitfasern mit Erhaltung der linearen Polarisation und die Eigenschaften, die sich auf das Vorhandensein von gesteuerten und in Längsrichtung verteilten Polarisationskopplungspunkten beziehen, aus. Der Zugriff auf die Messung der Bewegung wird durch einen Lesevorgang vom interferometrischen Typ erhalten.
Ein elementarer Meßwertaufnehmer umfaßt ein Segment einer doppelbrechenden Einmoden-Lichtleitfaser, das durch zwei (faser-) intrinsische Kopplungspunkte begrenzt ist, und einen in diesem Segment befindlichen beweglichen Kopplungspunkt. Der extrinsische bewegliche Kopplungspunkt ist kontaktlos und wird beispielsweise durch den Faraday-Effekt hergestellt. Das Leseverfahren ist interferometrisch, ferner weist die verwendete Lichtquelle eine schwache Kohärenz auf. Es ist wichtig, daß die Kohärenzlänge der Quelle in der Lichtleitfaser 2 kleiner als der Abstand ist, der zwei benachbarte Kopplungspunkte trennt. Insbesondere ist es im Rahmen der Messung der Bewegung des beweglichen Punktes M nützlich, daß die Kohärenzlänge der Quelle 1 kleiner als der minimale Abstand ist, um den dieser bewegliche Punkt M vom nächstgelegenen festen Punkt A oder B getrennt sein kann.
Für die Verwirklichung eines Bewegungsmeßwertaufnehmers, bei dem sich der bewegliche Kopplungspunkt M zwischen den zwei festen Kopplungspunkten A und B bewegt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, muß der Abstand, der die zwei festen Kopplungspunkte A und B voneinander trennt, größer als die doppelte Kohärenzlänge der Quelle sein, erhöht um den maximalen Abstand, um den sich der bewegliche Punkt verschieben kann
Es wird darauf hingewiesen, daß in der obigen Beschreibung angenommen worden ist, daß sich der bewegliche Punkt M zwischen den Punkten A und B befindet, indessen ist die Erfindung gleichermaßen auf einen Meßwertaufnehmer anwendbar, in dem sich der Punkt M nicht zwischen den zwei Punkten A und B befindet. In diesem Fall müssen der Abstand, der die festen Punkte A und B voneinander trennt, sowie derjenige, der den beweglichen Punkt M von nächstgelegenen festen Punkt (A oder B) trennt, größer als die Kohärenzlänge der Quelle sein.
Die interferometrische Ablesung der relativen Positionen des beweglichen Kopplungspunktes in bezug auf die festen Kopplungspunkte erlaubt die Messung der Bewegung und die Unabhängigkeit von möglichen Temperatureinwirkungen auf die Doppelbrechungseigenschaft der verwendeten Faser.
Der Meßwertaufnehmer der Erfindung ist auf einen linearen Bewegungsmeßwertaufnehmer, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, anwendbar. Die Faser 2 ist zwischen den festen Kopplungspunkten A und B geradlinig. Die Einrichtung 4, die im Punkt M der Faser 2 eine Kopplung bewirkt, ist entlang dem Pfeil Z geradlinig beweglich. Der Meßwertaufnehmer der Erfindung mißt daher die lineare Bewegung.
Der Meßwertaufnehmer der Erfindung ist gleichermaßen auf einen Winkel- Bewegungsmeßwertaufnehmer, wie er in Fig. 8 dargestellt ist, anwendbar. Die Faser ist zwischen den festen Kopplungspunkten A und B gekrümmt. Die Einrichtung 4, die eine Kopplung im Punkt M der Faser 2 bewirkt, ist entlang der Achse der Faser beweglich, wie durch den Pfeil Z angezeigt ist. Der Meßwertaufnehmer der Erfindung mißt daher eine Winkelbewegung, die gegebenenfalls in einen Drehwinkel übersetzt werden kann.
Wie in Fig. 9 gezeigt, kann der Meßwertaufnehmer der Erfindung gleichermaßen auf einen Meßwertaufnehmer angewendet werden, der mehrere bewegliche Kopplungspunkte umfaßt. In diesem Fall können in der Lichtleitfaser 2 mehrere feste Kopplungspunkte A, B, C, D, E vorgesehen werden. Jeder Bereich der Faser, der durch diese festen Kopplungspunkte begrenzt ist, kann einen einzigen beweglichen Kopplungspunkt M1, M2, M3 oder sogar mehrere bewegliche Kopplungspunkte wie etwa M4 und M5 im Bereich zwischen den festen Kopplungspunkten D und E aufweisen.
Unter Anwendung der obigen Beschreibung folgt, daß die Kohärenzlänge der Quelle 1 in der Faser 2 kleiner als der Abstand zwischen zwei festen oder beweglichen benachbarten Kopplungspunkten der Faser 2 sein muß.
Der Meßwertaufnehmer der Erfindung weist daher neben der beispielhaften relativen Genauigkeit der Bewegungsmessung (10&supmin;³) eine Möglichkeit des Multiplexbetriebs der Messungen auf. Darüber hinaus gestattet er ein Entfernen des Meßwertaufnehmers (des zwischen den zwei festen Kopplungspunkten A und B befindlichen Faserbereichs) vom Detektor 3 (Interferometer) über einen großen Abstand (mehrere 100 Meter).
Selbstverständlich ist die obige Beschreibung nur beispielhaft gegeben worden. Insbesondere sind die Zahlenbeispiele nur zur Erläuterung der Beschreibung gegeben worden. Andere Varianten können angestrebt werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser, mit:

- einer Lichtquelle (1) für entlang einer Polarisationsachse linear polarisiertes Licht;

- einer doppelbrechenden Lichtleitfaser (2), von der eine Eingangsseite mit der Lichtquelle (1) gekoppelt ist, wobei eine Doppelbrechungsachse mit der Polarisationsachse des von der Lichtquelle emittierten Lichtes ausgerichtet ist und wobei diese Lichtleitfaser wenigstens zwei Kopplungspunkte (A, B) zwiscben den zwei Ausbreitungsachsen, der langsamen und der schnellen Achse, besitzt, die räumlich begrenzt und fest sind und sich in einem bestimmten Abstand (L) voneinander befinden;

- wenigstens einem beweglichen Kopplungsmittel zwischen den zwei Ausbreitungsachsen, der langsamen und der schnellen Achse, das die Herstellung einer Kopplung zwischen den zwei Polarisationsachsen der Faser an einem beweglichen Kopplungspunkt (M) der Faser erlaubt;

- einem Analysemittel (3), das mit dem Ausgang der Faser gekoppelt ist und die Erfassung der Interferenzen erlaubt, die an den verschiedenen in der Faser (1) hergestellten Kopplungen (A, B, M) hervorgerufen werden.

2. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein schwach kohärentes Lichtbündel emittiert.

3. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Lichtbündel emittiert, dessen Kohärenzlänge in der Faser geringer als der Abstand ist, der zwei aufeinanderfolgende Kopplungspunkte trennt.

4. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Lichtbündel emittiert, dessen Kohärenzlänge in der Faser geringer als der minimale Abstand ist, um den der bewegliche Kopplungspunkt (M) vom nächstgelegenen festen Kopplungspunkt (A oder B) getrennt sein kann.

5. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der bewegliche Kopplungspunkt (M) zwischen den zwei festen Kopptungspunkten (A, B) befindet.

6. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysemittel (3) ein System umfaßt, das die von der Faser (2) ausgegebenen, verschiedenen Wellenzüge entlang derselben Analyserichtung auszurichten erlaubt, derart, daß die entlang einer neutralen Achse der Faser polarisierten primären Wellenzüge (PyB3) und die entlang der anderen neutralen Achse der Faser (2) polarisierten, gekoppelten Wellenzüge (PxA3, PxM3, PxB3) in derselben Richtung orientiert sind.

7. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel (3) ein Interferometer (5, 6, 7, 8, 9) umfassen, das einen Zweig (5, 6) mit variablem optischen Weg besitzt.

8. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Kopplungsmittel (M) eine Magnetfeldinduktionseinrichtung umfaßt, die in der Lichtleitfaser (2) einen Faraday-Effekt induziert.

9. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Kopplungsmittel (M) eine mechanische Einrichtung umfaßt, die auf die Faser (2) eine mechanische Kraft ausübt.

10. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Kopplungsmittel (M) eine Heizeinrichtung umfaßt, die die lokale Erwärmung der Faser (2) erlaubt.

11. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsmittel (M) ein mit der Achse der Faser (2) kollineares Magnetfeld induziert.

12. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (2) eine Einmodenfaser mit Aufrechterhaltung der linearen Polarisation ist.

13. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (2) geradlinig ist, derart, daß der Meßwertaufnehmer die linearen Bewegungen des beweglichen Kopplungsmittels (M) mißt.

14. Bewegungsmeßwertaufnehmer mit Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (2) gekrümmt ist, derart, daß der Meßwertaufnehmer die Winkelbewegungen des beweglichen Kopplungsmittels (M) mißt.