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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtleitfaser-
Sensorsystem, bei dem ein Parameter durch einen Sensor
überwacht wird, welcher eine Meßsignalausgabe in Form eines
optischen Signals bereitstellt, dessen Intensität eine
Funktion des überwachten Parameters ist.
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Sensoren zur Intensitätsmodulation mit zwei Wellenlängen
sind bekannt. Eine Wellenlänge wird zum Senden eines
Meßsignals verwendet, und die andere Wellenlänge wird zum
Senden eines Bezugssignals verwendet. Die Intensität des
Meßsignals wird gemäß dem überwachten Parameter moduliert,
während die Intensität des Bezugssignals unabhängig vom
überwachten Parameter ist. Ein solches System sollte optimal
so konfiguriert sein, daß irgendwelche äußeren Einwirkungen
auf die Intensität proportional sowohl das Meß- als auch das
Bezugssignal beeinflussen. Wenn dies der Fall ist, stellt ein
Verhältnis der beiden optischen Signale eine vollständig
abgeglichene Ausgabe bereit, die von solchen äußeren
Einwirkungen auf die Intensität unabhängig ist.
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Bei einem bekannten System (K. Kyuma, S. Tai, T. Sawaba
und M. Nunoshita, "Fiber optic instrument for temperature
measurement [Faseroptisches Gerät zur Temperaturmessung]",
IEEE J. Quantum Electron., Band QE-18, S. 676-679, 1982) ist
die optische Absorption eines dünnen Halbleitermaterials bei
einer Wellenlänge temperaturabhängig und ist bei einer anderen
nahezu durchsichtig. Optische Emissionen von zwei mit diesen
beiden Wellenlängen arbeitenden Lumineszenzdioden wurden
miteinander gekoppelt und durch das System gesendet. Das
Ausgangssignal der temperaturabhängigen Lichtwelle wurde mit
dem des Bezugslichts genormt, und das Verhältnis war daher vom
Absorptionsspektrum des Halbleitermaterials abhängig.
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Eine etwa ähnliche Bezugstechnik, wiederum unter
Verwendung zweier mit verschiedenen Wellenlängen emittierender
Lumineszenzdioden, ist vorgeschlagen worden (P.R. Wallace,
E.S.R. Sikora und A.J. Walkden, "Engineering optical fibre
sensors for process control [Konstruktion von Lichtleitfaser-
Sensoren zur Verfahrenssteuerung]", GEC J. of Research, Band
2, S. 129-134, 1984). Bei diesem System werden die optischen
Signale mit den einzelnen Wellenlängen sowohl vor als auch
nach einem Fasersensor mit Mikrokrümmung reflektiert. Das vor
dem Sensor reflektierte optische Signal hat die Funktion des
Bezugssignals, während das durch den Sensor mit Mikrokrümmung
modulierte Signal das Meßsignal bereitstellt.
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Ein allen Geräten, auf die oben Bezug genommen wird,
gemeinsames Problem besteht darin, daß sie zwei getrennte
Lumineszenzdioden-Quellen einsetzen, um das Bezugs- bzw. das
Meßsignal zu erzeugen. Daher können eine ungleiche
Spektralverschiebung bzw. Schwankungen in der Ausgangsleistung
der Lumineszenzdioden-Quellen zu Problemen innerhalb des
Sensorsystems führen und somit die Abgleichung ungültig
machen. Insbesondere hat sich gezeigt, daß die genormte
Leistungsabgabe von Lumineszenzdioden stark temperaturabhängig
ist und daher, außer wenn ein Ausgleich für die Temperatur der
optischen Quelle vorgesehen ist, die tatsächliche Beziehung
zwischen den Meß- und den Bezugssignalen nicht vorhergesagt
werden kann und daher die Eichung des Sensorsystems ungenau
ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Lichtleitfaser-Sensorsystem vorzusehen, welches die oben
angegebenen Probleme umgeht bzw. mildert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Lichtleitfaser-
Sensorsystem vorgesehen, welches einen Sender, einen Empfänger
und einen Sensor umfaßt, die durch eine optische Strecke
miteinander verbunden sind, bei dem der Sender eine optische
Quelle umfaßt, die dafür angeordnet ist, über die optische
Strecke zwei optische Signale mit unterschiedlicher
Wellenlänge an den Empfänger zu senden, der Sensor dafür
angeordnet ist, über die optische Strecke Meß- und
Bezugssignale an den Empfänger zu senden, wobei das Meßsignal
erhalten wird, indem die Intensität eines der beiden optischen
Signale in Abhängigkeit von einem Parameter moduliert wird,
der durch den Sensor überwacht wird, und das Bezugssignal eine
Intensität aufweist, die in einer vorgegebenen Beziehung zur
Intensität des anderen optischen Signals steht, und der
Empfänger dafür angeordnet ist, die Intensität der Meß- und
der Bezugssignale zu vergleichen, um ein Maß für den
überwachten Parameter zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Wellenlängen so gewählt sind, daß aus Schwankungen
der Temperatur der optischen Quelle resultierende
Veränderungen der Intensität der optischen Signale auf einem
Minimum gehalten werden bzw. für die beiden optischen Signale
im wesentlichen gleich groß sind.
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Der Sender kann eine einzige Lumineszenzdiode umfassen,
in welchem Fall Filter vorgesehen sind, um die beiden
Wellenlängen aus der Leistungsabgabe der Lumineszenzdiode
auszusondern, oder er kann ein Paar Lumineszenzdioden
umfassen, die jeweils einem jeweiligen Filter zugeordnet sind,
um die beiden Wellenlängen bereitzustellen. Die Filter können
am Sender, am Sensor, am Empfänger bzw. an irgendeinem
Teilstück der optischen Strecke dazwischen vorgesehen sein.
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Bevorzugt umfaßt die optische Strecke eine oder mehrere
Lichtleitfasern. Der Sensor kann von beliebiger zweckmäßiger
Gestalt sein, es kann sich zum Beispiel um einen
Bewegungssensor handeln, der einen Spiegel, dessen Position
das Meßsignal moduliert, und eine ortsfeste optische
Komponente umfaßt, die ein Bezugssignal konstanter Intensität
an den Empfänger zurückgibt.
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Bei einer einzigen optischen Quelle in Form einer
Lumineszenzdiode wird ein Auftragen der relativen Intensität
gegen die Wellenlänge der Quelle über einen Bereich von
Temperaturen eine Kurvenschar erzeugen. Die maximale bzw. die
minimale vorhergesagte Betriebstemperatur wird zwei
Begrenzungskurven erzeugen. Für diese Kurven werden die
Wellenlängen so gewählt, daß bei diesen Wellenlängen die
Veränderung der relativen Intensität von einer Kurve zur
anderen gleich ist, und somit wird sie für die Kurvenschar
über den gesamten Temperaturbereich gleich sein. Sind die
Kurven von geeigneter Form, könnte es möglich sein, mehr als
ein Paar Wellenlängen mit der gewünschten Eigenschaft gleicher
Veränderungen der relativen Intensität bei den beiden
Wellenlängen auszuwählen.
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Bei einem System mit zwei Lumineszenzdioden wird ein
Auftragen der relativen Intensität gegen die Wellenlänge über
einen Bereich von Temperaturen wiederum eine Kurvenschar
erzeugen. Auch hier gibt es Begrenzungsfälle bei der maximalen
bzw. bei der minimalen Betriebstemperatur. Erneut könnte sich
die für den Betrieb der Lumineszenzdiode ausgewählte
Wellenlänge an Stellen befinden, bei denen sich die beiden
begrenzenden Kurven schneiden und damit sich die Kurvenschar
schneidet.
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Es werden nun beispielhaft und anhand der beiligenden
Zeichnungen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Darstellung einer typischen
Spektralverschiebung der Leistungsabgaben-Kennlinie mit der
Temperatur einer oberflächenemittierenden Lumineszenzdiode;
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Fig. 2 die Verschiebung der relativen Intensität eines
Ausgangsspektrums einer Lumineszenzdiode mit der Temperatur;
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Fig. 3 die Auswahl von Frequenzen gemäß der vorliegenden
Erfindung auf der Basis einer für eine bestimmte
Lumineszenzdiodenvorrichtung erhaltenen Beziehung zwischen
relativer Intensität und Wellenlänge;
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Fig. 4 eine Beziehung zwischen relativer Intensität und
Wellenlänge, die von anderer Gestalt ist als die in Fig. 3
gezeigte und die erneut die Auswahl von Frequenzen gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt; und
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Fig. 5 ein Blockdiagramm, welches die erste Phase der
Signalverarbeitung für eine Lumineszenzdiode mit den in Fig.
4 dargestellten Kennlinien zeigt.
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Figur 1 zeigt die großen Schwankungen bezüglich des
Spektrums der Ausgangsleistungskennlinie einer
oberflächenemittierenden Lumineszenzdiode mit der Temperatur.
Bei der am weitesten links gelegenen Kurve handelt es sich um
die bei 0ºC erhaltene, bei der zentralen Kurve um die bei 30ºC
erhaltene und bei der am weitesten rechts gelegenen Kurve um
die bei 60ºC erhaltene. Offensichtlich würden sich bei einer
Frequenzwahl von 840NM und 890NM als den Frequenzen für ein
Sensorsystem mit zwei Wellenlängen die relativen Intensitäten
dieser beiden Frequenzen mit einer Zunahme der Temperatur der
Lumineszenzdiode drastisch ändern. Es ist von entscheidender
Bedeutung, daß irgendein Ausgleichsverfahren für solche
Temperaturschwankungen vorgesehen wird.
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Fig. 2 zeigt vier Kurven, die jeweils bei einer
jeweiligen Temperatur die relative Intensität gegen die
Wellenlänge zeigen, und zwar in ein und derselben
Lumineszenzdiodenvorrichtung. Verschiedene
Lumineszenzdiodenvorrichtungen werden verschiedene Kennlinien
aufweisen. Im dargestellten Beispiel ist es ersichtlich, daß
alle vier Kurven bei einer Wellenlänge von etwa 925NM
zusammenkommen und daß die vier Kurven im Bereich etwa
zwischen 850NM und 900Nm im wesentlichen parallel verlaufen.
Eine solche Kennlinie ist ein Beispiel für eine Kennlinie,
welche es ermöglicht, Temperaturschwankungen in der optischen
Quelle eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
automatisch auszugleichen.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel würde eine einzige
Lumineszenzdiodenquelle verwendet, um sowohl das Meß- als auch
das Bezugssignal bereitzustellen. Wie in Fig. 3 gezeigt, in
der zwei Kurven dargestellt sind, die jeweils einer jeweiligen
Temperatur der Lumineszenzdiode entsprechen, würde eine erste
(Meß-)Wellenlänge λ&sub1; ausgewählt, und es würde eine zweite
(Bezugs-)Wellenlänge λ&sub2; ausgewählt. In einem solchen System
würden irgendwelche Temperaturschwankungen innerhalb des durch
die beiden Kurven angezeigten Bereichs die Intensität des
einen Signals relativ zum anderen nicht wesentlich
beeinflussen. Das System könnte daher bedenkenlos ohne
Rücksicht auf die Temperaturen der optischen Quelle betrieben
werden.
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Alternativ könnte bei Verwendung zweier
Lumineszenzdiodenquellen die Wellenlänge λ&sub3; entweder für das
Bezugs- oder für das Meßsignal ausgewählt werden. Da sich die
beiden Kurven bei dieser Wellenlänge schneiden, wären aus
Temperaturschwankungen resultierende Änderungen der relativen
Intensität vernachlässigbar. Falls das andere Signal von einer
anderen optischen Quelle mit einer ähnlich geformten Kennlinie
relative Intensität-gegen-Wellenlänge produziert wird, die bei
einer anderen Wellenlänge einen Schnittpunkt aufweist, könnte
das System wiederum ohne Bezug auf die Temperatur der
optischen Quelle betrieben werden.
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Fig. 4 zeigt die Kennlinie relative Intensität-gegen-
Wellenlänge für eine andere Lumineszenzdiodenquelle als die
in den Fig. 2 und 3 gezeigten. Die zwei Kurven geben die
relative Intensität bei einer ersten (maximal erwarteten)
Temperatur und einer zweiten (minimal erwarteten) Temperatur
wieder. Es ist ersichtlich, daß die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; so
ausgewählt werden könnten, daß sie für Änderungen der
relativen Intensität gleichen Betrages aber entgegengesetzten
Vorzeichens sorgen. In einer solchen Anordnung würde die
Empfängerschaltung dafür angepaßt, das entgegengesetzte
Vorzeichen der Änderung der relativen Intensität zu
berücksichtigen, würde ansonsten aber auf genau die gleiche
Weise arbeiten wie das mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene
Ausführungsbeispiel.
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Fig. 5 zeigt eine Signalverarbeitungsvorrichtung für eine
erste Phase zur Verarbeitung von Meß- und Bezugssignalen, die
von einer einzigen Lumineszenzdiode mit den Wellenlängen λ&sub1;
und λ&sub2; erhalten werden, wobei die Lumineszenzdiode die in Fig.
4 gezeigte Kennlinie aufweist. Die zwei Signale S1 bzw. S2
werden derart auf zwei wie gezeigt angeordnete jeweilige
Differentialverstärker angewandt, daß die Ausgabe auf ähnliche
Weise auf die Temperatur reagiert. Der Verstärker 1 weist eine
geerdete Eingabe auf, und der Verstärker 2 weist eine
Bezugseingabe Vref auf, die größer ist als das maximale S2-
Signal. Ein weiterer Verstärker 3 stellt eine abgeglichene
Ausgabe für eine Signalmeßschaltung 4 bereit.
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Die vorliegende Erfindung sieht somit eine extrem
einfache aber elegante Lösung des Problems des
Temperaturausgleichs bei optischen Sensorsystemen mit zwei
Wellenlängen vor. Um die Erfindung umzusetzen, ist es
lediglich notwendig, Informationen von der in den Fig. 2, 3
und 4 dargestellten Art herzuleiten und unter Verwendung
einfacher Bandpaßfilter geeignete Frequenzen auszuwählen.
Solche Filter könnten neben der optischen Quelle, dem Sensor
oder dem Empfänger positioniert werden, bzw. an einer
beliebigen Stelle auf der optischen Strecke dazwischen.