DE68907570T2 - Fühlereinrichtung mit optischen Fasern. - Google Patents

Fühlereinrichtung mit optischen Fasern.

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Description

    (Fachgebiet der Erfindung)
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Fühlersystem, das optische Fasern verwendet, um die Verteilung einiger Meßgrößen, z.B. Temperatur, Druck etc. zu messen, die in Längsrichtung der optischen Faser verteilt sind.
  • (Stand der Technik)
  • Zur Messung der Meßgrößen wie Temperatur, Druck etc., die in Längsrichtung der optischen Faser verteilt sind, ist allgemein eine Technik verwendet worden, die als optische Zeitbasis-Reflektometrie (OTDR) bezeichnet wird. Diese Technik nutzt die Eigenschaft einer optischen Faser aus, daß ein eingeführtes gepulstes Licht mit einer gegebenen Wellenlänge, das an einem Ende der optischen Faser eintritt, eventuell zu diesem Ende mit einem Teil des Lichtes zurückkommt, das an einem gegebenen Punkt in Längsrichtung der Faser ein gewisses Maß an Rückstreuung aufweist, um den Ort des Punktes als Funktion der Zeit zu bestimmen, die zum Messen der Rückkehr benötigt wird, und um den Lichtverlust an dem gegebenen Punkt der optischen Faser zu messen, nämlich die Differenz zwischen der Intensität des auftreffenden Lichtes und der Intensität des reflektierten Lichtes. Wenn sich umgekehrt der Verlust eines eingeführten Lichtes an einem Punkt einer optischen Faser als Funktion der Umgebungstemperatur, des Druckes und anderer veränderbarer Faktoren ändert, können die physikalischen Quantitäten, z.B. Temperatur und Druck, die für den Punkt spezifisch sind, durch Beobachtung der Änderung des Lichtverlustes an dem Punkt bestimmt werden.
  • Dem oben beschriebenen Verfahren haften jedoch bestimmte Nachteile an. Das Verhältnis der zurückgestreuten Lichtintensität relativ zu dem in die optische Faser eingeführten Licht ist bei einem Instrument, das diese Technik verwendet, normalerweise zu klein. So ist das Signal/Ratisch-Verhältnis durch die Tatsache bedingt, daß das eingeführte Licht ein gepulstes Licht ist und daher ist die Lichtmenge, die pro Zeiteinheit festgestellt werden kann, begrenzt. Der Dynamikbereich der Messung ist bei einem solchen Instrument sehr klein. Demzufolge sind mehr als einige Sekunden oder manchmal sogar mehr als einige Minuten für eine Messung erforderlich, da sie Zehntausende von durchschnittsbildenden Operationen erfordert, wenn eine hohe Meßgenauigkeit wesentlich ist. Da ein im Handel erhältliches Wellenlängeninstrument einen Dynamikbereich von 17 dB bis 20 dB hat, sind für einen höheren Dynamikbereich Meßsysteme mit optischen Fasern vorgeschlagen worden, die eine Hochleistungs-Halbleiter-Laservorrichtung verwenden, die ein Licht mit etwa 1W erzeugen können, oder eine Nd:YAG Laservorrichtung, die einen Ausgang von einigen Watt hat. Ein solches System erfordert jedoch unvermeidlich hohe Kosten für die Lichtquelle, und es besteht die Gefahr, daß in der optischen Faser nicht-lineare optische Effekte erzeugt werden, die ihrerseits Rauschen in dem System verursachen können.
  • Ein weiteres bekanntes Beispiel ist in dem Aufsatz "Multiplexed and distributed optical Fibre Sensor Systems", Journal of Physics E/Scientific Instruments 20 (1987) August Nr. 8, Bristol, GB, beschrieben.
  • Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Fühlersystem mit optischen Fasern vorzusehen, das eine verhältnismäßig große Lichtmenge pro Zeiteinheit verwendet und ein verbessertes Signal/Rauschverhältnis und einen verbreiterten Dynamikbereich der Messung bietet.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Fühlersystem vorgesehen, mit einer optischen Faser, einer ersten Quelle zur Einleitung einer Signallichtwelle in ein Ende der optischen Faser und einer zweiten Quelle zur Einleitung einer Pumplichtwelle in das andere Ende der optischen Faser, wobei die Wellenlänge der Signallichtwelle unterschiedlich gegenüber der Wellenlänge der Pumplichtwelle ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine solche Verlustcharakteristik hat, daß die Schwächung der Signallichtwelle durch die Pumplichtwelle und auch als Funktion einer externen Meßgröße, die der optischen Faser zugeführt wird, verändert wird, und daß Mittel an dem anderen Ende der optischen Faser vorgesehen sind, um Intensitätsänderungen mit der Signalwellenlänge in der Signallichtwelle festzustellen, wenn diese am anderen Ende der optischen Faser ankommt.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend nur beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Fühlersystems, bei dem optische Fasern verwendet werden;
  • Fig. 2 eine begriffliche Darstellung zur Veranschaulichung verschiedener Energiepegel eines Dotiermaterials;
  • Fig. 3 (a) eine grafische Darstellung der Verlusteigenschaften eines Dotiermaterials im Grundzustand;
  • Fig. 3 (b) eine grafische Darstellung der Verlusteigenschaften eines Dotiermaterials auf einem erregten Energiepegel unter einem erregten Zustand;
  • Fig. 4 eine grafische Darstellung des Ansprechens auf die Intensität einer aus der Faser (B) austretenden Signallichtwelle nach optischem Pumpen mit einer Pumplichtwelle in einem erfindungsgemäßen Fühlersystem mit optischer Faser;
  • Fig. 5 eine grafische Darstellung der Intensität einer aus der Faser (B) austretenden Signallichtwelle nach optischem Pumpen mit der Pumplichtwelle, wenn die Umgebungstemperatur an einer Stelle der optischen Faser verändert wird, die eine Entfernung l vom Faserende (B) hat;
  • Fig. 6 eine grafische Darstellung des Verlustspektrums einer Er-dotierten optischen Faser;
  • Fig. 7 eine Prinzipdarstellung, die verschiedene Energiepegel von Er³&spplus; zeigt;
  • Fig. 8 (a) eine grafische Darstellung des Verlustspektrums von Er in einem nicht erregten Zustand; und
  • Fig. 8 (b) eine grafische Darstellung des Verlustspektrums von Er in einem erregten Zustand.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In Fig. 1, die schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Fühlersystems mit optischen Fasern zeigt, ist eine optische Faser 4 vorgesehen, die Verlusteigenschaften hat, die Änderungen mit der Wellenlänge einer Lichtsignalwelle unterworfen werden, wenn die Pumplichtwelle in die optische Faser eingeführt wird, wobei das Maß der Änderungen ferner als Funktion von extern zugeführten physikalischen Mengen (Meßgrößen) verändert wird, und wobei die optische Faser mit einem Material dotiert ist, das zwei oder mehr verschiedene Energiepegel hat. Eine Impulslichtquelle 9 sendet eine Pumplichtwelle mit einer Frequenz ωa (oder ωb) aus, die der Menge der Übergangsenergie entspricht, die das Dotiermaterial benötigt, um vom Grundzustand auf einen gegebenen erregten Pegel Ωa oder auf einen noch höheren Pegel Ωb überzugehen. Ein von einem Impulsgenerator 11 und einer Speiseschaltung 10 erzeugtes gepulstes Licht wird nach Verlauf durch eine Linse 6, einen Strahlspalter 8 und eine weitere Linse 5 in die optische Faser am Ende (B) eingeleitet. Ein Lichtdetektor 13 dient zur überwachung der Intensitätsstabilität des austretenden gepulsten Lichtes der Pumplichtwelle und zur Errichtung eines gewünschten Pegels des austretenden gepulsten Lichtes und bildet daher keinen wesentlichen Bestandteil des Systems. Eine Lichtquelle 1 dient zur Einleitung von Licht in die Faser am Ende (A) über ein Filter 2 und eine Linse 3, und die Lichtquelle sendet eine Signallichtwelle mit der Frequenz Ωa-b, die der Menge der für das Dotiermaterial benötigten Energie entspricht, um von dem gegebenen erregten Energiepegel Ωa auf einen anderen erregten Energiepegel Ωb überzugehen, der höher als der Pegel Ωa ist, in das eine Ende der optischen Faser 4. Die Signallichtwelle kann entweder in Form von kontinuierlichem Licht oder gepulstem Licht sein. Ein Lichtdetektor 12 dient zur Messung der Intensität der aus dem Ende (B) der Faser 4 über die Linse 5, den Strahlspalter 8 und die Linse 7 austretenden Signallichtwelle. Das Filter 2 läßt die Signallichtwelle durch, während es die Pumplichtwelle blockiert oder beträchtlich schwächt, und der Strahlspalter 8 reflektiert wahlweise die von der Lichtquelle 1 kommende Signallichtwelle, während er nahezu die gesamte von der Lichtquelle 9 kommende Pumplichtwelle durchläßt.
  • Wenn das der optischen Faser zugeführte Dotiermaterial drei verschiedene Energiepegel hat, nämlich den Grundzustand ΩO und die beiden verschieden erregten Pegel Ωa und Ωb, wie in Fig. 2 dargestellt, zeigen die Verlusteigenschaften des Materials normalerweise einen großen Verlustkoeffizienten für die Frequenz ωa, die der Menge der für das Material benötigten übergangsenergie entspricht, um vom Grundzustand ΩO in den erregten Pegel Ωa überzugehen, und einen weiteren großen Verlustkoeffizienten für die Frequenz ωb, die der Menge der übergangsenergie entspricht, die für den übergang vom Grundzustand auf den erregten Pegel Ωb benötigt wird, was in Fig. 3(a) dargestellt ist.
  • Während sich ein solches Material normalerweise auf dem Grundzustand ΩO befindet, geht ein gegebener Teil des in die optische faser dotierten Materials in den erregten Pegel Ωa über, wenn er einem intensiven Licht mit der Frequenz Wa ausgesetzt wird, obwohl er in den Grundzustand ΩO zurückkehrt, wenn eine bestimmte Zeitdauer verstrichen ist, nachdem die Bestrahlung mit dem intensiven Licht beendet worden ist. Die Zeitperiode, die das Material benötigt, um von dem erregten Pegel Ωa in den Grundzustand ΩO überzugehen, wird als die Lebensdauer des erregten Pegels Ωa definiert.
  • Das Material zeigt die in Fig. 3(b) dargestellten Verlusteigenschaften, wenn der Pegel Ωa erregt ist und ein ankommendes Licht mit der Frequenz Ωa-b das Material während der Lebensdauer des erregten Pegels Ωa erreicht. In anderen Worten hat das Material bei der Erregung einen großen Verlustkoeffizienten für die Frequenz ωa-b, der der Menge an übergangsenergie entspricht, die das Material benötigt, um von dem erregten Pegel Ωa in den höher erregten Pegel Ωb überzugehen.
  • Wenn man nun annimmt, daß die Signallichtwelle, die eine Frequenz ωa-b und eine Lichtintensität Iso hat, in das Ende (A) einer Faser mit der Länge L und einem Verlustkoeffizienten Ωg eingeleitet wird, wird die Intensität Is der Signallichtwelle, die aus dem Ende (B) der Faser austritt, durch Is = Iso exp (-αgL) ausgedrückt. Wenn jedoch ein gepulstes Licht der Pumplichtwelle mit der Frequenz ωa in das Ende (B) der optischen Faser eingeleitet wird, wird die Intensität der aus dem Faserende (B) austretenden Signallichtwelle als Funktion der Zeit (T) verändert, weil die Signallichtwelle einer weiteren Absorption durch die Erregung der spezifischen Lichtwelle unterworfen wird. Es sollte dafür gesorgt werden, daß der Impulszyklus der Pumplichtwelle so eingerichtet wird, daß die Zyklusintervalle ausreichend größer als die Zeit sind, die ein Impuls benötigt, um von einem Ende der optischen Faser zum anderen Ende und zurück zu gelangen, und es muß ferner die Lebensdauer des erregten Pegels Ωa in Betracht gezogen. werden.
  • Es sei nun angenommen, daß T die Zeit darstellt, die von dem Augenblick zählt, wenn der erste Impuls der Pumplichtwelle in die optische Faser geleitet wird; daß l die Entfernung zwischen dem Faserende (B) und einem Punkt ist, an dem das Signallicht das Pumplicht in der optischen Faser trifft, wobei l die Länge ist, wo das am Faserende (B) festzustellende Licht einer erhöhten, durch die Pumplichtwelle verursachten Absorption unterworfen wird; daß αe(X) = αO(x) Ip(X) der Verlustkoeffizient des erregten Bereiches in der optischen Faser als Folge davon ist, daß die Pumplichtwelle der Signallichtwellenlänge ausgesetzt wird, worin x eine Position entlang der optischen Faser darstellt (wobei Ip(X) die Intensität der Pumplichtwelle an der Position (X) in der optischen Faser darstellt und vom Ort in der optischen Faser abhängt), und es wird hier ferner angenommen, daß der Verlustkoeffizient αe proportional zur Intensität Ip der Pumplichtwelle ist, und daß der Proportionalkoeffizient αO ist, und es wurden weitere Parameter definiert wie: die Fortpflanzungsgeschwindigkeit Va-b der Signallichtwelle in der optischen Faser, der Verlustkoeffizient αp bei der Wellenlänge der Pumplichtwelle, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit Va der Pumplichtwelle in der optischen Faser und die Lebensdauer T des erregten Pegels Ωa. Die Lebensdauer ist als die Zeit definiert, die die erregte Population benötigt, um auf 1/e ihres ursprünglichen Wertes abzunehmen. Wenn V = 1/Va + 1/Va-b definiert wird, ist T = l x V.
  • Wenn der Pegel des Dotiermaterials in der optischen Faser und die Meßgröße entlang der optischen Faser homogen sind, und αO(l) an jeder Stelle der optischen Faser konstant ist, dann wird die Intensität Is(T) der Signallichtwelle zur Zeit T, die von dem Augenblick verstrichen ist, seit der erste Impuls der Pumplichtwelle in die optische Faser eingeleitet wurde, ausgedrückt durch die folgende Gleichung
  • Is(T)=Iso . exp (-αgL) . exp (αO.IpO.τ) / (V-αp τ) X
  • (-lT/τ . l-αpl) - exp (-αL) ... (1),
  • worin 1so, αg und L in der oben beschriebenen Weise definiert sind und Ipo die Intensität der Pumplichtwelle am Faserende (B) darstellt. Wenn in ausreichendem Maße angenommen werden kann, daß die Beziehung τ » T = l Vx vorhanden ist, kann die Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden:
  • Is(T)=Iso . exp (-αg.L).exp αO(l).Ipo / αp X e-αpl-l ...(2)
  • Fig. 4 ist eine grafische Darstellung von Gleichung (2). Diese Darstellung zeigt die Eigenschaften für den Fall, daß αO(l) konstant zur Länge l ist. Wenn jedoch αO(l) in Abhängigkeit von Änderungen von Meßgrößen (physikalische Mengen) entlang der optischen faser verändert wird und die Meßgrößen entlang der optischen Faser verteilt sind, ist αO(l) nicht konstant. Wenn die Meßgrößen entlang der optischen Faser nicht homogen, sondern am Ort von l verschieden sind, was der Zeit T entspricht, ist der Wert von αO(l) ebenfalls von dem an anderen Orten in der optischen Faser verschieden, und so beobachtet man den Verlauf der Ausgangssignallichtwelle, wie in Fig. 5 dargestellt ist, wo eine kleine Änderung des Signalausgangs angezeigt ist.
  • Daher kann man die Änderung der Meßgröße an diesem Punkt durch Messung der Größe der Veränderung der Signalverlaufsänderung erhalten, und der Ort kann durch die Zeit T identifiziert werden. Wenn der Wert von αO(l) nicht konstant ist, sondern durch die physikalischen Größen (Meßgröße) geändert wird, kann der Signalverlauf nicht unmittelbar durch Verwendung eines analytischen Verfahrens bestimmt werden, obwohl der Wert von durch Verwendung einer Gleichung (3) berechnet werden kann. Die Änderung des Meßwertes kann aus der Änderung von αO(l) durch Verwendung der Meßergebnisse von Iso und Is bestimmt werden.
  • αO(l)=(1/Ipo).e-αp.T/V -(V/τ) log(Is/Iso)+αg.L)
  • -V(d/dt)(log Is/Iso) ... (3),
  • worin (d/dt) die Differenzierung nach der Zeit darstellt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun näher anhand einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Eine optische Faser, die für die Verwendung der vorliegenden Erfindung geeignet ist, kann dadurch hergestellt werden, daß in den Kern einer optischen Faser aus Silikatglas ein Seltenerdelement dotiert wird. Fig. 6 zeigt die Verlusteigenschaften einer optischen Faser, die durch Dotierung mit Er³&spplus; in einer Konzentration von 790 (wt)ppm in die optische Silikatglasfaser hergestellt wurde.
  • Er³&spplus; hat eine Energiekonfiguration wie in Fig. 7 dargestellt, und eine bemerkenswerte Energieabsorption, die man bei und um 1,5 µm in Fig. 6 findet, entspricht der übergangsenergie vom Grundzustand &sup4;I 15/2 auf den erregten Energiepegel &sup4;I13/2. Fig. 6 zeigt ferner zwei bemerkenswerte Absorptionen bei und um 0,8 µm und 0,8 5 µm, die jeweils durch den übergang vom Grundzustand &sup4;I15/2 auf den erregten Energiepegel &sup4;I9/2 bzw. vom Grundzustand &sup4;I15/2 auf den erregten Energiepegel &sup4;F9/2 verursacht werden.
  • Wenn ein intensives Licht (Halbleiterlaserstrahl) mit einer Wellenlänge von etwa 1,5 µm als Erregung in die Faser eingeleitet wird, zeigt das Spektrum zwischen 0,6 µm und o,8 µm - wie in Fig. 8(b) dargestellt - einen erhöhten Absorptionspegel bei oder um 0,7 µm und ferner bei 0,8 µm, was bei dem vorherigen Verlustspektrum (bei nicht erregtem Zustand) nicht stattfindet, wenn der Halbleiterlaserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 1,5 µm nicht in die optische Faser eingeleitet wird, was in Fig. 8(a) dargestellt ist. Diese erhöhten Absorptionen beruhen jeweils auf den übergängen von dem erregten Pegel &sup4;I13/2 auf den Pegel &sup4;F7/2 bzw. vom Pegel &sup4;I13/2 auf den Pegel &sup4;H11/2 und entsprechen ωa-b in Fig. 2 und 3. Wenn ein Signallicht (oder die Signallichtwelle) mit einer Wellenlänge von 0,72 µm, das man durch spektroskopische Verarbeitung eines Lichtstrahls von einer weißen Lichtquelle mittels eines Monochrometers gewinnt, in die optische Faser 4 am Faserende (A) eingeleitet wird, zeigt die Intensität des austretenden Lichtes eine Änderung gemäß Fig. 4, die durch einen am anderen Ende angeordneten Lichtdetektor 12 gemessen wird. Statt dessen kann als Signallicht auch von einer LED oder einem Haltleisendetes Licht mit derselben Wellenlänge verwendet werden. Die Lebensdauer des erregten Energiepegels &sup4;I13/2 hat sich bei Messung in einem Experiment als 14 m lang erwiesen, und diese Tatsache zeigt, daß die Gleichung (2) gut verwendbar ist, wenn das Licht einer optischen Faser kleiner als mehrere huntert Kilometer ist.
  • Da die Konzentration von Er³&spplus; bei dieser Messung hoch ist, sollte der Verlustkoeffizient (der in Gleichung (2) αp entspricht) des gepulsten Lichtes (der Pumplichtwelle), das von einer Halbleiterlaservorrichtung erzeugt wird, sehr groß bei oder 1,5 µm liegen, und daher wird die optische Faser unwirksam, wenn die Intensität des von einer Halbleiterlaservorrichtung kommenden Impulslichtes zur Erregung der Faser bei oder um 1,5 µm schwach werden sollte, wenn die optische Faser zu lang ist. Im Hinblick auf diese Tatsache wird für dieses Ausführungsbeispiel eine optische Faser mit einer Länge von 30 m verwendet, obwohl eine längere optische Faser verwendet werden könnte, wenn die Er -Konzentration zu klein ist. Aus praktischen Gründen kann eine 5 km lange Faser verwendet werden, wobei die Er³&spplus;-Konzentration nur einige ppm oder weniger beträgt. Abgesehen davon ist es bekannt, daß die Absorptionsrate von Ionen eines Seltenerdelements aufgrund des Übergangs zwischen den erregten Energiepegeln durch eine Änderung der Umgebungstemperatur geändert wird. (Siehe "The Temperature Dependency of Electron Transition in Rare Earth Ions": M.C. Farries et al., Electron Lett. Vol. 22, Nr. 8, Seite 418, 1989). Wenn die Temperatur an einem Punkt mit einem Abstand l vom anderen Ende der optischen Faser bei einem Experiment Änderungen unterworfen wurde, erhielt man als Ergebnis ähnliche Verlusteigenschaften wie in Fig. 5 dargestellt. Daher kann die Temperatur an diesem Punkt durch die Änderung bekannt sein, die im Zuge der Verlusteigenschaften in Fig. 5 stattfand. Bei dem Experiment wurde ein Hochgeschwindigkeitsdetektor mit Si als Lichtdetektor 12 benutzt. Eine Farblaservorrichtung, die Licht mit einer Wellenlänge von 0,73 µm und einer Lichtintensität aussendet, die größer ist als die einer weißen Lichtquelle, wird für die Lichtquelle 1 verwendet, um einen Dynamikbereich von etwa 30 dB oder mehr zu erzeugen. Der Verlustkoeffizient αO(l) . Ip eines Signallichtes mit einer Wellenlänge von 0,7 µm als Folge der Einleitung der Pumplichtwelle kann durch Vermehrung der Intensität des von der optischen Faser kommenden gepulsten Lichtes mit der Wellenlänge von 1,5 µm vergrößert werden, obwohl die maximal ausführbare Länge der optischen Faser unvermeidlich als Folge einer solchen Manipulation abnimmt. Wenn daher eine lange optische Faser verwendet wird, sollte die Intensität der in die optische Faser einzuführenden Pumplichtwelle vermindert werden. Lanthanide, wie z.B. Ho, Tm und Sm sowie Aktinide, wie z.B. U sowie Alkalimetallionen und Erdalkalimetallionen, die ähnliche Effekte haben wie die bei Seltenerdelementen beobachtete wechselnde Änderung durch das optische Pumpen können anstelle von Er zur Dotierung einer optischen Faser verwendet werden. (Nur der umhüllte Bereich der optischen Faser kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung dotiert werden).
  • Zur Dotierung können organische Verbindungen, wie z.B. Farben, verwendet werden, wenn die optische Faser 4 einen Kern aus flüssigem Material hat. Fotochromes Glas und andere Stoffe mit fototropischem Effekt können ebenfalls zur Dotierung verwendet werden.
  • Die Absorption infolge von Defekten der Glasstruktur einer optischen Faser kann ebenfalls für die Zwecke der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Es sei bemerkt, daß die Annäherung von τ » T in dem oben beschriebenen analytischen Prozeß nicht wesentlich ist und ein Fühlersystem mit Verwendung der Gleichung (1) ebenfalls ausführbar ist. Zwar ist der Verlustkoeffizient, der auf der Basis der ankommenden Signallichtwelle bestimmt wird, in dem oben beschriebenen analytischen Prozeß eine lineare Funktion der Intensität der Pumplichtwelle αO(l) . Ip, jedoch muß dies nicht notwendigerweise so sein, und wenn dies der Fall ist, können Meßvorgänge durchgeführt werden, indem die Situation, bei der die zu bestimmenden physikalischen Umgebungsgrößen konstant sind und die Situation, bei der sie teilweise verändert werden verglichen wird, obwohl die in Fig. 4 und 5 gezeigte Beziehung in einem solchen Fall nicht anwendbar ist.
  • Es ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, daß ein Fühlersystem mit optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu üblichen OTDRs, die die Rückstreuung einer Signallichtwelle in einer optischen Faser ausnutzen, die durch eine optische Faser laufende Lichtwelle als Signal benutzen, um die Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit des Systems zu verbessern, und daher hat es ein beträchtlich verbessertes Signal/Rauschverhältnis und einen verbesserten Dynamikbereich der Messung gegenüber den üblichen OTDRs. Ferner kann für die Signallichtwelle kontinuierliches Licht verwendet werden, um die Rate der Lichtemission für die Feststellung zu erhöhen und die Zeit für die Messung zu vermindern, wodurch sich bemerkenswerte Vorteile des Systems bei der Verwendung in industriellen Anwendungen ergeben.

Claims (7)

1.) Fühlersystem mit einer optischen Faser (4), einer ersten Quelle (1) zur Einleitung einer Signallichtwelle in ein Ende (A) der optischen Faser (4) und einer zweiten Quelle (9) zur Einleitung einer Pumplichtwelle in das andere Ende der optischen Faser, wobei die Wellenlänge (ωa-b) der Signallichtwelle unterschiedlich gegenüber der Wellenlänge (ωa) der Pumplichtwelle ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (4) eine solche Verlustcharakteristik hat, daß die Schwächung der Signallichtwelle durch die Pumplichtwelle und auch als Funktion einer externen Meßgröße, die der optischen Faser zugeführt wird, verändert wird, und daß Mittel (7, 12) an dem anderen Ende (B) der optischen Faser (4) vorgesehen sind, um Intensitätsänderungen bei der Signalwellenlänge (ωa-b) in der Signallichtwelle festzustellen, wenn diese am anderen Ende (B) der optischen Faser ankommt.
2.) Fühlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Quelle (1) so ausgebildet ist, daß die Signallichtwelle kontinuierlich ist.
3.) Fühlersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Quelle (9) so ausgebiltdet ist, daß die Pumplichtwelle gepulst wird und jeder Impuls für eine Zeitdauer ausgesendet wird, die größer ist als die Zeit, die die Lichtwelle benötigt, um von dem anderen Ende (B) zu dem einen Ende (A) und zurück zu wandern.
4.) Fühlersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtquelle (9) so ausgebildet ist, daß das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen der Pumplichtwelle länger ist als die Zeit, die das Licht benötigt, um von dem anderen Ende (B) der optischen Faser (4) zu dem einen Ende (A) und zurück zu wandern.
5.) Fühlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtquelle (9) so ausgebildet ist, daß die Pumplichtwelle gepulst wird und jeder Impuls eine Breite hat, die größer als die Zeit ist, die die Pumplichtwelle benötigt, um von dem anderen Ende (B) der optioschen Faser (4) zu dem einen Ende (A) zu wandern, und die anschließend die Signallichtwelle benötigt, um von dem einen Ende (A) zu dem anderen Ende (B) zu wandern.
6.) Fühlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (4) aus Silikatglas besteht, das mit seltenen Erden, Alkalimetallionen, Alkalierdmetall- und/oder übergangsmetallionen dotiert ist.
7.) Fühlersystem nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (4) aus Silikatglas besteht, das mit Er³&spplus; dotiert ist.
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