DE69937612T2

DE69937612T2 - Faseroptischer temperatursensor

Info

Publication number: DE69937612T2
Application number: DE69937612T
Authority: DE
Inventors: Mohamed Bouamra
Original assignee: TALLTEC TECHNOLOGIES HOLDINGS; TALLTEC TECHNOLOGIES HOLDINGS SA
Current assignee: Fiberlake Sa Luxemburg / Luxembourg Lu
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: CA2342811A1; JP2002524728A; WO2000014498A1; US6511222B1; EP0984254A1; EP1114300B1; EP1114300A1; ES2297946T3; DE69937612D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Temperatursensoren und betrifft insbesondere einen Temperatursensor mit Lichtleitfaser mit geringem Platzbedarf.
Derzeit teilen sich die Temperatursensoren mit Lichtleitfaser auf zwei Kategorien auf: die erste Kategorie betrifft die so genannten extrinsischen optischen Sensoren und die zweite die so genannten intrinsischen. Bei den extrinsischen optischen Sensoren ist die Lichtleitfaser ein passives Element, das eine einfache Funktion als Übertragungsleitung sicherstellt, und sie muss infolgedessen gegen die zu messende physikalische Größe vollkommen unempfindlich sein. Für die intrinsischen optischen Sensoren ist es dagegen die Lichtleitfaser selbst, die das gegen die zu messende Größe empfindliche Element ist, die direkt auf die der Faser eigenen physikalischen Eigenschaften wirkt.
Insbesondere ist aus dem französischen Patent FR 2 664 695 ein Temperatursensor mit Lichtleitfaser des intrinsischen Typs bekannt, in dem die Lichtleitfaser vom Multimodentyp, die eine Vorwärtsverbindungslänge (von der Lichtquelle) und eine Rückkehrverbindungslänge (zur Erfassungs- und Auswertungsschaltung) umfasst, in ihrem empfindlichen Abschnitt gemäß einer Wicklung mit bestimmter Krümmung und mit mehreren Windungen, die in dem zu überwachenden Milieu angeordnet sind, ausgebildet ist. Dieser Sensor beruht auf den Doppelbrechungseigenschaften einer gekrümmten Lichtleitfaser. Es ist tatsächlich bekannt, dass die Krümmung einer Faser durch Einführen von Spannungen in diese Faser Ausbreitungsverluste und folglich eine Senkung der übertragenen Lichtintensität hervorruft.
Ein derartiger Temperatursensor weist jedoch noch zahlreiche Nachteile auf. Zuallererst beeinflusst die Konfiguration des empfindlichen Abschnitts der Lichtleitfaser, der in mehreren Windungen gewickelt ist, den Platzbedarf und die Lebensdauer des Sensors. Jede Lichtleitfaser weist nämlich einen kritischen Krümmungsradius Rc auf, für den ein Bruch der Faser besteht (beispielsweise ist für eine Ganzquarzfaser mit einem äußeren Radius r dieser kritische Krümmungsradius gleich 100 r/3,3). Infolgedessen wird der Platzbedarf des Sensors durch diese minimale Abmessung auferlegt und die Lebensdauer des Sensors ist umso geringer, als sich der Wicklungsdurchmesser diesem kritischen Bruchdurchmesser nähert. Anschließend erzeugt das Zurückgreifen auf eine Multimoden-Lichtleitfaser besonders scharfe Auswertungsbedingungen. Eine derartige Faser umfasst nämlich eine sehr große Anzahl von Ausbreitungsmoden, die stark gleichzeitig von den optisch-geometrischen Eigenschaften der Faser (Index und Radius des Kerns, Indexprofil, numerische Apertur), den anfänglichen Einspeisungsbedingungen der Lichtquelle (Raumwinkel und Emissionswellenlänge, Abstand Quelle-Faser, axiale und Winkelausrichtung), von der Aufmachung der Übertragungsleitung (geradliniger oder gekrümmter Verlauf) und von der Umgebungstemperatur abhängen. Infolgedessen ist es sehr schwierig, identische Modenverteilungen von einem Sensor zum anderen zu erhalten. Bei derartigen gekrümmten Lichtleitern ist die Temperaturreaktion schließlich direkt mit der Modenverteilung am Eingang der Faser verbunden und es ist zugelassen, dass nur die ersten Krümmungslängen wirksam zur Erzeugung von Übertragungsverlusten beitragen, wobei sich die Verluste tatsächlich ab einer gewissen Länge fast stabilisieren.
Die vorliegende Erfindung hat folglich als Gegenstand einen Temperatursensor mit Lichtleiffaser mit geringem Platzbedarf, der trotzdem eine große Linearität und einen großen Messbereich aufweist und so beschaffen ist, dass seine industrielle Nutzung ermöglicht ist.
Diese Ziele werden erreicht durch einen Temperatursensor mit Lichtleitfaser mit einer Lichtquelle zum Liefern eines Lichtsignals, einer ersten Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser, die mit der Lichtquelle verbunden ist, einem empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt, der mit der ersten Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser verbunden ist, einer zweiten Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser, die mit dem empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt verbunden ist, und einer Schaltung zur optischen Erfassung und zur Verarbeitung, die mit der zweiten Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser verbunden ist, um das durch die Lichtquelle übertragene Lichtsignal, das durch die Lichtleitfaser verläuft, zu empfangen und zu analysieren, dadurch gekennzeichnet, dass der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt an einem ebenen Träger angebracht ist und auf einer bestimmten Länge (N1) und mit einer bestimmten Krümmungsamplitude (A1) gekrümmt ist. Vorzugsweise ist der empfindliche Abschnitt periodisch (T1) gekrümmt.
Durch diese besonders einfache Struktur, bei der der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt gemäß einem Lichtwellenleiter ausgebildet ist, der vollkommen bestimmte Eigenschaften aufweist, ist es möglich, besonders genaue Temperaturmessungen zu erhalten. Außerdem bietet die Verwendung einer Lichtleitfaser für einen derartigen Sensor eine vollständige Immunität gegenüber Störungen elektromagnetischen Ursprungs sowie eine vollständige Sicherheit in einem empfindlichen, insbesondere explosiven Milieu.
In einer Ausführungsvariante kann dieser Temperatursensor mit Lichtleitfaser von einer zweiten Übertragungsleitung befreit sein, die folglich durch ein ebenes reflektierendes Element ersetzt ist, das direkt mit dem empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt verbunden ist, der an einem ebenen Träger angebracht ist und periodisch (T1) auf einer bestimmten Länge (N1) und mit einer bestimmten Krümmungsamplitude (A1) gekrümmt ist.
Gemäß der Art der zum Bilden des empfindlichen Abschnitts verwendeten Lichtleitfaser ist die Krümmungsperiode T1 so gewählt, dass entweder die folgende Ungleichung:
für eine Faser mit Indexsprung oder die folgende Ungleichung:
für eine Faser mit parabolischem Indexgradienten erfüllt ist, wobei

: der Betrag des Wellenvektors ist und λ die Lichtwellenlänge ist;
n₁: der Brechungsindex des Kernmaterials der Lichtleitfaser ist;
: die relative Differenz der Indizes der Kern- und Hüllenmaterialien der Lichtleitfaser ist und
ρ: der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform geht dem empfindlichen Abschnitt der Lichtleitfaser des Temperatursensors gemäß der Erfindung ein stromaufseitiges bzw. stromabseitiges Faserteilstück voran bzw. folgt diesem, das an einem ebenen Träger angebracht ist und auf einer bestimmten Länge (N2, N3) und mit einer bestimmten Krümmungsamplitude (A2, A3) periodisch gekrümmt (T2, T3) ist. Vorzugsweise sind diese bestimmten Längen der stromaufseitigen und stromabseitigen Lichtleitfaserteilstücke identisch.
Die bestimmten Krümmungsperioden der stromaufseitigen und stromabseitigen Lichtleitfaserteilstücke sind so bestimmt, dass eine optimale Kopplung zwischen allen geführten Ausbreitungsmoden erhalten wird, ohne Kopplungen mit den Strahlungsmoden hervorzurufen.
Vorteilhafterweise ist die Lichtleitfaser eine Multimodenfaser und ist aus Materialien des Kerns und der Hüllen (darunter eine äußere Hülle) mit abnehmenden Indizes gebildet. Sie ist auf der Höhe ihres empfindlichen Abschnitts mit mindestens einer zusätzlichen Schicht aus einem Material mit einem Index umgeben, der geringer ist als der Index der äußeren Hülle der Faser und die optischen Eigenschaften gegenüber der Temperatur, die von jenen des Kerns der Lichtleitfaser verschieden sind. Gemäß einer ersten Ausführung kann die zusätzliche Materialschicht einen optischen Index aufweisen, der mit der Temperatur abnimmt, wenn das Kernmaterial selbst einen konstanten oder mit der Temperatur zunehmenden optischen Index aufweist. Gemäß einer zweiten Ausführung kann diese zusätzliche Materialschicht einen optischen Index aufweisen, der mit der Temperatur zunimmt, wenn das Kernmaterial selbst einen konstanten oder mit der Temperatur abnehmenden optischen Index aufweist.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser verschachtelt, um ein Gitter mit Krümmungen mit geringer Amplitude und bestimmter Periode zu bilden. Diese bestimmte Periode ist so gewählt, dass eine optimale Kopplung zwischen den geführten Ausbreitungsmoden erhalten wird, ohne Kopplungen zwischen den Strahlungsmoden hervorzurufen.
Vorteilhafterweise ist die Lichtquelle aus den drei folgenden Quellen ausgewählt: einer kohärenten Lichtquelle des Typs Laser, einer partiell kohärenten Lichtquelle des Typs Superlumineszenzdiode oder einer schwach kohärenten Lichtquelle des Typs Lumineszenzdiode.
Die erste und die zweite Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser und der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt bilden vorzugsweise eine einzige Lichtleitfaser. Diese erste und zweite Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser können jedoch auch aus zwei unterschiedlichen Lichtleitfasern gebildet sein, die durch einen Lichtwellenleiter, der den empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt bildet, verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Temperaturmessvorrichtung, die mit zwei Temperatursensoren, wie vorher beschrieben, ausgestattet ist, wobei diese zwei Sensoren, die nahe beieinander angeordnet sind, durch eine gemeinsame Lichtquelle gespeist werden und jeweils ein Lichtausgangssignal auf der Höhe eines ersten bzw. eines zweiten Detektors liefern. In einer ersten Ausführungsform ist der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt von einem dieser zwei Sensoren gegen die Temperatur unempfindlich gemacht, um das Liefern eines im Wesentlichen mit der Temperatur konstanten Referenzsignals auf der Höhe des entsprechenden Detektors zu ermöglichen. In einer zweiten Ausführungsform weisen die empfindlichen Lichtleitfaserabschnitte dieser zwei Sensoren Materialien mit mit der Temperatur variierenden Indexkoeffizienten mit entgegengesetzten Vorzeichen auf, um das Liefern von Lichtsignalen mit entgegengesetzten Änderungen mit der Temperatur auf der Höhe des ersten und des zweiten Detektors zu ermöglichen, wobei die Summe dieser zwei Signale ein mit der Temperatur im Wesentlichen konstantes Referenzsignal bildet. Diese zweite Ausführungsform ermöglicht es insbesondere, eine Referenz zu erhalten, um sich von Störgrößen zu befreien.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Temperaturmessvorrichtung, die mit einem ersten Temperatursensor gemäß der vorher genannten Struktur mit einer Lichtquelle, einer Vorwärtsübertragungsleitung, einem empfindlichen Abschnitt mit Einzelschleife, einer Rückwärtsübertragungsleitung und einem ersten Detektor ausgestattet ist, wobei dieser erste Sensor mit einem zweiten Temperatursensor zusammenarbeiten soll, von welchem ein empfindlicher Abschnitt in unmittelbarer Nähe zum empfindlichen Abschnitt des ersten Sensors angeordnet ist, um alles oder einen Teil des Strahlungslichtflusses, der in der Nähe der Einzelschleife ausgesandt wird, zu erfassen und ihn zu einem zweiten Detektor mittels einer oder mehrerer optischer Übertragungsleitungen zu lenken, wobei sich die Lichtsignale, die auf der Höhe des ersten und des zweiten Detektors ankommen, in Abhängigkeit von der Temperatur entgegengesetzt ändern. Infolgedessen kann die gewichtete Summe dieser zwei Signale ein mit der Temperatur im Wesentlichen konstantes Referenzsignal bilden. Die Analyse der Änderungsvorzeichen der zwei erfassten Signale ermöglicht auch, die der Temperatur eigenen Effekte von anderen Störeffekten zu unterscheiden. Folglich wird jede Änderung mit gleichem Vorzeichen der zwei von den Sensoren erzeugten Signale Effekten zugeschrieben, die nicht mit der zu messenden Größe verbunden sind. Dies geschieht, wenn das Übertragungskabel Krümmungen ausgesetzt wird, die eine gleichzeitige Verringerung des Ausgangssignals der zwei Sensoren hervorrufen. Dies ist auch der Fall, wenn die Intensität der Quelle schwankt. Nach Digitalisierung und Datenverarbeitung der Signale können durch Einwirkung auf die Lichtquelle, auf die Verstärkungsschaltungen der Signale oder besser unter Verwendung eines geeigneten Algorithmus Korrekturen vorgenommen werden. Die zwei Signale können auch arithmetischen Operatoren unterzogen werden, die ein Er gebnis des radiometrischen Typs ergeben. Dieses Ergebnis kann unter Verwendung von analogen Operatoren oder durch Datenverarbeitung erhalten werden.
In einer ersten Ausführungsform sind der empfindliche Abschnitt des ersten Sensors und eine als Empfangsantenne verwendete Lichtleitfaser auf einem benachbarten Radius gekrümmt, wobei die zwei freien Enden der Empfangsfaser über optische Übertragungsleitungen mit einem zweiten Detektor verbunden sind. In einer zweiten Ausführungsform besitzt dieser Empfangsabschnitt des zweiten Sensors eine gerade Form und ist so nah wie möglich am empfindlichen Abschnitt des ersten Sensors angeordnet, wobei sein entgegengesetztes Ende mit einem zweiten Detektor über eine optische Übertragungsleitung verbunden ist.
In diesen zwei Fällen kann die Temperaturmessvorrichtung außerdem eine zusätzliche optische Vorrichtung umfassen, die zwischen die empfindlichen Abschnitte der zwei Sensoren eingefügt ist und die Funktion eines Lichtkonzentrierers hat, um die Lichtübertragungsleistung vom ersten Sensor zum zweiten Sensor zu erhöhen. Diese zusätzliche optische Vorrichtung ist vorteilhafterweise aus einem Material gebildet, dessen Brechungsindex nahe jenem der optischen Hülle liegt, die den Kern der Faser des zweiten Sensors bedeckt, und geringfügig größer ist als der Index des Materials der optischen Hülle, die den Kern des ersten Sensors bedeckt. In der vorstehend genannten ersten Ausführungsform weist diese zusätzliche Vorrichtung eine Halbringform mit kleinem transversalen Querschnitt auf, derart, dass sie zwischen die zwei gekrümmten empfindlichen Abschnitte des ersten und des zweiten Sensors eingefügt werden kann. In der vorstehend genannten zweiten Ausführungsform weist sie eine Kreisquadrantenform mit einer abgerundeten Basis mit derselben Krümmung wie der empfindliche Abschnitt des ersten Sensors und einem zugespitzten Scheitelpunkt, der mit dem empfindlichen Abschnitt des zweiten Sensors in Kontakt kommt, auf.
Schließlich findet die vorliegende Erfindung Anwendung bei einer Temperaturmessvorrichtung, die mit einem vorstehend genannten Temperatursensor des reflektierenden Typs mit einer Lichtquelle, einer Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser, einem empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt, einem ebenen reflektierenden Element und einem ersten Detektor ausgestattet ist, wobei dieser Sensor außerdem ein Beugungsgitter umfasst, das direkt vor dem empfindlichen Abschnitt der Lichtleitfaser angeordnet ist, um als Referenzsignal einen Teil des Spektrums des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtsignals zurückzureflektieren, wobei ein ebenes Beugungselement, das direkt vor dieser Lichtquelle angeordnet ist, es er möglicht, dieses Referenzsignal zu einem zweiten Detektor zu lenken, und das Messlichtsignal zum ersten Detektor gelenkt wird, nachdem es auch dieses ebene Beugungselement durchlaufen hat. Vorzugsweise ist die Lichtquelle vom räumlich kohärenten Typ wie eine Laserdiode oder eine Superlumineszenzdiode.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der folgenden Beschreibung hervor, die zur Information und nicht zur Begrenzung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, in denen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Temperatursensors gemäß der Erfindung ist;
2 eine Ausführungsvariante des Sensors von 1 zeigt;
3 ein erstes Messkonfigurationsbeispiel zeigt, das den Sensor von 1 integriert;
4 ein zweites Messkonfigurationsbeispiel zeigt, das den Sensor von 1 integriert;
5 den empfindlichen Abschnitt des optischen Sensors von 4 detailliert darstellt;
6 ein drittes Messkonfigurationsbeispiel zeigt, das den Sensor von 1 integriert;
7 den empfindlichen Abschnitt des optischen Sensors von 6 zeigt;
8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors gemäß der Erfindung ist;
9 eine Ausführungsvariante des optischen Sensors von 8 zeigt, und
10 ein viertes Messkonfigurationsbeispiel zeigt, das den Sensor von 8 integriert.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors gemäß der Erfindung ist in 1 dargestellt. Dieser Sensor umfasst eine Lichtquelle 10, eine Vorwärtsübertragungsleitung 12 mit Lichtleitfaser, einen empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt 14, eine Rückwärtsübertragungsleitung 16 mit Lichtleitfaser und eine Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung 18. Die Vorwärts- und die Rückwärtsübertragungsleitung und der empfindliche Abschnitt sind vorteilhafterweise in einer einzigen Lichtleitfaser ausgebildet. Diese Übertragungsleitungen können jedoch auch aus zwei unterschiedlichen Lichtleitfasern ausgebildet sein, die am empfind lichen Abschnitt, der folglich durch einen Lichtwellenleiter gebildet ist, verbunden sind.
Die Lichtquelle 10 zum Aussenden eines Lichtsignals kann eine räumlich kohärente Lichtquelle des Typs Laser oder einfach partiell kohärente Lichtquelle des Typs Superlumineszenzdiode oder sogar eine schwach kohärente Lichtquelle des Typs Lumineszenzdiode sein.
Die Vorwärtsübertragungsleitung 12 ist aus einer Multimoden-Lichtleitfaser gebildet, die auf Grund der wesentlichen Gleichheit (in der Amplitude und im Vorzeichen) der mit der Temperatur variierenden Indexkoeffizienten der Materialien des Kerns und der Hülle, die diese Lichtleitfaser bilden, intrinsisch gegen die Temperatur wenig empfindlich gemacht ist. Diese Bedingung wird insbesondere mit einer so genannten klassischen "Ganzquarz"-Faser verifiziert, deren Kern- und Hüllenmaterialien aus ein und demselben Material gebildet sind. Um eine bessere Modenerregbarkeit sicherzustellen und sich so gut wie möglich von den Einspeisungsbedingungen auf der Höhe der Lichtquelle zu befreien, wird diese Faser vorzugsweise vom Typ mit parabolischem Indexgradienten gewählt. Die Verwendung einer Faser mit Indexsprung kann jedoch auch in Erwägung gezogen werden. Um die Verwendung von optischen Verbindungselementen oder von Kopplern mit Linsen, die den Nachteil einer schlechten Reproduzierbarkeit bei ihrer Demontage/erneuten Montage aufweisen, zu vermeiden, ist ebenso ein Ende dieser Übertragungsleitung mit der Lichtquelle 10 beispielsweise durch Kleben oder nach einem Schmelzprozess und eventuell über eine Kollimationsvorrichtung (nicht dargestellt) fest verbunden.
Die Rückwärtsübertragungsleitung 16 weist eine zu jener der Vorwärtsleitung analoge Konfiguration auf, wobei ein Ende dieser Leitung folglich fest mit dem Erfassungselement 18 eventuell über eine Fokussiervorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist.
Vorteilhafterweise sind die zwei Übertragungsleitungen, die Vorwärts- und die Rückwärtsübertragungsleitung, miteinander verschachtelt, um ein Gitter mit Krümmungen mit geringer Amplitude (um die Verluste auf Grund der Strahlungsmoden der Faser zu begrenzen) und mit einer Periode zu bilden, die gewählt ist, damit die Gesamtheit der durch die Lichtleitfaser geführten Ausbreitungsmoden erregt werden. Folglich wird eine optimale Kopplung dieser geführten Moden verwirklicht und folglich wird von einer Gleichgewichtsmodenverteilung gesprochen. Die Quellen-Vorwärtsübertragungsleitungs- und Erfassungselement-Rückwärts übertragungsleitungs-Baugruppe kann in einem Gehäuse angebracht und anschließend an eine gemeinsame elektronische Verarbeitungskarte geschweißt und an dieser befestigt werden.
Die Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung 18 umfasst ein optoelektronisches Photodetektorelement zur Umsetzung des empfangenen Lichtsignals in ein elektrisches Signal (beispielsweise einen Phototransistor oder eine Photodiode) und elektronische Verarbeitungselemente für dieses Signal, um daraus die auszuwertende Temperatur abzuleiten. Wie später zu sehen ist, wird natürlich eine Referenz des Sensors auf der Höhe dieser Verarbeitungselemente verwirklicht, um sich von den verschiedenen Störgrößen zu befreien, die die Messungen stören können, wie beispielsweise die Krümmungseffekte auf den Übertragungsleitungen, die verschiedenen Schwankungen thermischen Ursprungs oder die unerwünschten Temperaturänderungen in den Übertragungsleitungen.
Der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt 14, der die Messung der Temperatur durch Kontakt oder Eintauchen in das zu überwachende Milieu sicherstellen soll, ist als Multimoden-Lichtwellenleiter ausgebildet und gemäß einem Gitter mit Krümmungen mit ebener Struktur mit Verformungsbeanspruchungen von null angeordnet.
Die Ausbreitungskonstante einer Mode β in einer beliebigen Multimoden-Lichtleitfaser, die durch ihre zwei ganzzahligen Parameter μ und ν definiert ist, die jeweils die radiale und azimutale Abhängigkeit des elektromagnetischen Feldes, das ihr zugeordnet ist, beschreiben, entspricht der folgenden Gleichung: βμ,ν = kn1 [1 – 2Δ[α + 2/α·(2μ + ν/(ρ2k2n1 2λ)]α/α+2]0,5 wobei

k = 2π/λ: der Betrag des Wellenvektors ist und λ die Lichtwellenlänge ist;
n₁: der Index des Kernmaterials der Lichtleitfaser ist;
Δ = n₁ – n₂/n₂: die relative Differenz der Indizes der Kern- und Hüllenmaterialien der Lichtleitfaser ist;
α: ein Koeffizient ist, der das räumliche Profil des Brechungsindex der Faser definiert (α = 2 entspricht einer Faser mit parabolischem Indexgradienten) und
ρ: der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist.

Die Bedingungen für die Grenzen, die den in der Faser geführten Ausbreitungsmoden auferlegt werden, müssen die Beziehung: 0 < (2μ + ν)2 < Δ(ρkn1)2 α/α + 2erfüllen.
Die Anwesenheit eines Defekts, der eine Periodizität T aufweist, wie: Δβ = 2π/Tkann zwei Moden oder Gruppen von Moden koppeln, die die mit der Kopplung des nächsten Nachbarn verbundene Auswahlregel erfüllen.
Für eine Faser mit Indexsprung (α -> ∞) ist folglich der Abstand zwischen den benachbarten Moden gegeben durch: Δβ(μ,ν)(μ,ν + 1) = 1/(ρkn1)2 [1 + 2(2μ + ν)]gemäß den Grenzen der geführten Moden: 1/ρ2kn1 ≤ Δβ ≤ 1/p2kn1 + 2√Δ/ρ
Wenn ein mechanischer periodischer Defekt mit der Frequenz 2π/T auf eine Lichtleitfaser mit Indexsprung aufgebracht wird, kann folglich beobachtet werden:

– entweder keine Kopplung, wenn: 2π/T ≤ 1/ρ2kn1,
– oder eine Kopplung zwischen den einzigen geführten Moden, wenn: 1/ρ2kn1 ≤ 2π/T ≤ 1/ρ2kn1 + 2√Δ/ρ (1)
– oder eine Kopplung zwischen geführten Moden und Strahlungsmoden, wenn: 2π/T ≥ 1/ρ2kn1 + 2√Δ/ρ (2)

Im Fall einer Lichtleitfaser mit parabolischem Indexgradienten (α = 2) ist der Abstand zwischen Moden von ihrer Ordnung unabhängig. Folglich koppelt jeglicher Defekt mit der Periode T die Gesamtheit der geführten Ausbreitungsmoden und Strahlungsmoden mit einer Intensität, die insbesondere mit der Amplitude dieses Defekts verbunden ist (die Übernahme von mehreren Mikrokrümmungsschritten von T ermöglicht es auch, Dämpfungsspitzen zu erhalten): Δβ(μ,ν)(μ,ν+1) = 2π/T = 4(2Δ)/ρd. h. auch T = ρπ√(2/Δ) (3) wobei

Δ = n₁ – n₂/n₂: die relative Differenz der Indizes der Kern- und Hüllenmaterialien der Lichtleitfaser ist und ρ der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist.

Die Anwendung der Beziehungen (2) oder (3) ermöglicht es, die Periode der Mikrokrümmungen T1 und die Amplitude der Verformungen des Gitters A1 in Abhängigkeit von der angestrebten Empfindlichkeit und dem angestrebten Messbereich zu definieren. Die Anzahl N1 von Perioden des Gitters ist im Wesentlichen durch die verfügbare Kontaktoberfläche mit dem zu überwachenden Milieu definiert. Insbesondere im Fall einer punktuellen Messung, wie in 1 dargestellt, kann diese Anzahl zumindest geringer sein als Eins, wobei eine halbe Periode folglich genügen kann, um den empfindlichen Abschnitt des Sensors zu verwirklichen und eine Rückkehrhalbschleife zu erhalten, die für die Verbindung mit der Rückwärtsübertragungsleitung erforderlich ist. 2 ist ein weiteres Beispiel eines Sensors, in dem der empfindliche Abschnitt sechs Perioden umfasst, wobei die stromaufseitigen und stromabseitigen Teilstücke jeweils drei Perioden aufweisen.
Zwei Verfahren zum Verwirklichen des empfindlichen Abschnitts der Lichtleitfaser können derzeit in Erwägung gezogen werden. Ein erstes bekanntes Verfahren besteht darin, einen spezifischen Lichtwellenleiter durch direktes Integrieren der Lichtleitfaser in ein Silicium- oder Glassubstrat, das vorher ausgebildet wird, zu erzeugen. Das zweite Verfahren verwendet einen thermischen Prozess zum Formen der Lichtleitfaser. Dieser Prozess kann entweder in den Herstellungszyklus der Faser oder bei der Ausarbeitung des empfindlichen Abschnitts des Sensors eingefügt werden. In diesem letzten Fall wird die Faser auf einer bestimmten Länge von ihrer mechanischen Beschichtung und eventuell von ihrer oder ihren optischen Hülle(n) befreit, dann an einem mit im Voraus festgelegten Krümmungen versehenen, ebenen Träger befestigt. Die Baugruppe wird anschließend auf eine ausreichende Temperatur gebracht, um eine Erweichung der Materialien sicherzustellen, dann, sobald die Faser ihre mikrogekrümmte Form angenommen hat, wird dieser befreite Abschnitt mit einer oder mehreren Schichten aus Materialien mit abnehmendem Index überzogen, die mit dem Index des Kerns der Faser optisch kompatibel sind, jedoch Eigenschaften von Änderungen gegenüber der Temperatur aufweisen, die von jenen des Kerns verschieden sind. Vorzugsweise kann ein letztes Material auch als Gehäuse dienen, das dem empfindlichen Abschnitt des Sensors seinen endgültigen mechanischen Widerstand und seinen endgültigen mechanischen Halt verleiht.
Es wird zu bemerken sein, dass dieses Verfahren zum Formen es ermöglicht, eine mikrogekrümmte Lichtleitfaser mit Verformungsbeanspruchungen von null zu erhalten, was eine lange Lebensdauer für den Sensor wie seine Befreiung von elastisch-optischen Effekten garantiert.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung gehen dem empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt 16 zwei identische Lichtleitfaserteilstücke 20, 22 voran und folgen diesem, die gegen die Temperatur unempfindlich gemacht sind und auch auf einem ebenen Träger gemäß einem bestimmten Gitter mit Krümmungen angeordnet sind. Die Rolle des ersten Teilstücks oder Vorwärtsteilstücks besteht darin, die Modenverteilung zu optimieren, um eine Gleichgewichtsmodenverteilung am Eingang des empfindlichen Abschnitts zu erhalten, und die Rolle des zweiten Teilstücks oder Rückwärtsteilstücks besteht darin, diese Gleichgewichtsmodenverteilung am Ausgang dieses empfindlichen Abschnitts wiederherzustellen. Somit ist es möglich, ein identisches Verhalten der Vorwärts- und der Rückwärtsübertragungsleitung und folglich eine bessere Reproduzierbarkeit der Antwort des Sensors zu garantieren.
Die Periode T2, T3 wird ausgehend von der Beziehung (1) durch Gleichsetzen der Terme des Milieus und auf der rechten Seite dieser Ungleichung festgelegt, was somit eine optimale Kopplung (ohne Verluste) zwischen allen in der Faser geführten Ausbreitungsmoden sicherstellt, ohne Kopplungen mit den Strahlungsmoden hervorzurufen. Da jedoch eine derartige Gleichung nicht vollkommen sein kann, kann trotzdem eine Kopplung mit den Strahlungsmoden stattfinden, deshalb die Notwendigkeit, einen entsprechenden Amplitudenwert A2, A3 vorzusehen, der ausreichend gering ist, um die Verluste zu begrenzen. Die Anzahl N2, N3 von Perioden wird wie vorher in Abhängigkeit von der verfügbaren Kontaktoberfläche gewählt.
Die Funktion des Temperatursensors gemäß der Erfindung basiert auf dem Prinzip der Intensitätsmodulation (auch Amplitudenmodulation genannt) in einer Lichtleitfaser. Sie beruht auf der Messung der am Ausgang der Lichtleitfaser empfangenen Leistung, die eine Funktion der Änderungen der numerischen Apertur (ON) durch thermische Effekte ist.
Somit kann die Temperaturmessung zwei komplementäre Prinzipien einsetzen: das erste ergibt sich aus einer positiven Modulation der numerischen Apertur der Lichtleitfaser und das zweite, inverse, ergibt sich aus einer negativen Modulation dieser Apertur. Die Wahl der einen oder anderen dieser zwei Betriebsarten hängt im Wesentlichen von der Wahl, die für die Materialien, die den empfindlichen Abschnitt der Lichtleitfaser bilden, genauer für die Koeffizienten der Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur (vom Wert und Vorzeichen) der Indizes des Kerns und der optischen Hülle(n) der Faser durchgeführt wird, ab.
Um eine positive Modulation der numerischen Apertur zu erhalten, genügt es infolgedessen, für den Kern des empfindlichen Abschnitts der Lichtleitfaser ein optisch durchlässiges Material, das einen konstanten oder mit der Temperatur zunehmenden Index aufweist (beispielsweise Quarz), zu wählen, während für die optischen Hüllen und insbesondere die äußerste Hülle es genügt, ein Material mit einem optischen Index zu wählen, der mit dem Kern kompatibel ist, aber mit der Temperatur abnimmt (beispielsweise Silikon). In dieser Betriebsart des Sensors führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung der numerischen Apertur, wobei der minimale Wert des Lichtsignals seiner Auslöschung entspricht, die für die niedrigste Betriebstemperatur erhalten wird. Um eine negative Modulation der numerischen Apertur zu erhalten, werden dagegen Materialien mit zu den vorangehenden entgegengesetzten optischen Eigenschaften gewählt. In dieser Betriebsart führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Verminderung der numerischen Apertur, wobei die niedrigste Betriebstemperatur es folglich ermöglicht, den Maximalwert des optischen Signals entsprechend der Sättigung zu erhalten.
Diese zwei Grenztemperaturen definieren den Messbereich des Sensors, in dessen Innerem die Antwort des Sensors als linear in Abhängigkeit von der Temperatur betrachtet werden kann. Es ist zu bemerken, dass eine Berechnung dieser zwei Grenzen, der unteren und der oberen Grenze, der Temperatur einfach und sehr klassisch ausgehend von der Bestimmung des Grenzbrechungswinkels einer gekrümmten Faser durchgeführt werden kann, der in Abhängigkeit vom Krümmungsradius dieser Faser und vom Grenzbrechungswinkel einer geradlinigen Faser ausgedrückt werden kann.
Vor jeglicher Verwendung ist es natürlich angebracht, eine Kalibrierung des Sensors durchzuführen, um die Messfehler zu begrenzen, die klassisch mit der Streuung der Eigenschaften der bei der Herstellung der Lichtleitfaser verwendeten Komponenten und ihren zeitlichen Schwankungen verbunden sind. Ein einfacher Kalibrierungsprozess kann somit im Moment der Installation des Sensors in dem zu überwachenden Milieu durchgeführt werden, beispielsweise indem eine Messung für eine gegebene Referenztemperatur ausgeführt wird, der eine Vergleichsantwort des Sensors entspricht.
Um sich zufrieden stellend von den anderen Änderungen des empfangenen Signals als jenen, die mit der Temperatur verbunden sind, zu befreien, ist es klassisch, eine Referenzierung des Sensors durchzuführen. Ihre Funktion besteht darin, die Signaländerungen zu erfassen, die mit anderen Störgrößen als dem Effekt der zu messenden Temperatur verbunden sind, beispielsweise die Krümmungseffekte auf den Übertragungsleitungen, der Druck oder die thermischen Verformungen der Materialien.
3 stellt ein erstes Beispiel einer Temperaturmessvorrichtung, die sich daraus ergibt, mit zwei zu jener des vorher definierten Temperatursensors identischen Strukturen, die durch eine gemeinsame Lichtquelle 30 gespeist werden, dar. Es wird daran erinnert, dass dieser Sensor außer dieser gemeinsamen Lichtquelle eine erste Vorwärtsübertragungsleitung 32, einen ersten empfindlichen Abschnitt 34, eine erste Rückwärtsübertragungsleitung 36, einen ersten Detektor 38 umfasst. Diesem ersten Sensor ist ein zweiter mit einer zweiten Vorwärtsübertragungsleitung 42, die fest mit der gemeinsamen Lichtquelle 30 verbunden ist, einem zweiten empfindlichen Abschnitt 44, einer zweiten Rückwärtsübertragungsleitung 46 und einem zweiten Detektor 48 beigefügt. Außerdem ist die Gesamtheit der Übertragungsleitungen gemäß einer periodischen Verschachtelung der Lichtleitfasern ausgebildet, um an jedem Punkt dieser Leitungen identische Modenverteilungen zu bewahren.
In einer ersten Ausführungsvariante bildet der zweite empfindliche Abschnitt 44, der wie die Übertragungsleitungen 32, 36; 42, 46, gegen die Temperatur intrinsisch unempfindlich gemacht ist, einen Referenzsensor für die Messung, die mit dem ersten empfindlichen Abschnitt 34 durchgeführt wird (der in dem zu überwachenden Milieu angeordnet ist). Mit dieser Konfiguration können folglich alle anderen Änderungen (Störgrößen) als diejenigen, die sich aus der Temperatur ergeben, die gleich auf jede der zwei Sensorstrukturen wirken, mittels einer Rückkopplungsschleife (nicht dargestellt), die auf die Lichtquelle angewendet wird, aufgehoben werden. Am Ausgang der zwei Detektoren der Messvorrichtung stehen einerseits ein Messsignal und andererseits ein Referenzsignal, das mit der Temperatur im Wesentlichen konstant ist, zur Verfügung.
In einer zweiten Ausführungsvariante sind der erste und der zweite empfindliche Abschnitt 34, 44 so nahe wie möglich aneinander in dem zu überwa chenden Milieu angeordnet, aber die Lichtleitfasern, die sie bilden, sind mit Materialien mit mit der Temperatur variierenden Indexkoeffizienten mit vorzugsweise derselben Amplitude, aber entgegengesetzten Vorzeichen gewählt. Eine geeignete Wahl der Krümmungsradien und Verstärkungen für die zwei Sensoren ermöglichen es, die den Materialien innewohnenden Unterschiede zu kompensieren und einen linearen Messbereich zu erhalten. Am Ausgang der Detektoren stehen ein erstes Messsignal, das mit der Temperatur zunimmt (Funktion mit positiver Modulation), und ein zweites Messsignal, das mit der Temperatur abnimmt (Funktion mit negativer Modulation), zur Verfügung, wobei die Summe dieser zwei Signale ein mit der Temperatur im Wesentlichen konstantes Referenzsignal bildet. Wie vorher ermöglicht es die Analyse der Änderungsvorzeichen der zwei Messsignale, die mit einer Rückkopplungsschleife gekoppelt ist, die Effekte der Temperatur von jenen der anderen Störgrößen zu unterscheiden. Jegliche Änderung mit gleichem Vorzeichen der zwei Signale wird nämlich Effekten, die nicht mit der Temperatur verbunden sind, zugeschrieben, was beispielsweise der Fall ist, wenn die Übertragungsleitungen Krümmungen ausgesetzt werden, die eine Senkung des Ausgangssignals der Lichtleitfaser hervorrufen, oder wenn die Intensität der Lichtquelle schwankt.
Die 4 und 6 zeigen ein zweites und ein drittes Beispiel einer Temperaturmessvorrichtung, die einerseits einen ersten Sensor, der eine zu den vorher dargestellten identische Struktur aufweist, aber in einer Version mit Einzelschleife (wie in 1 dargestellt), und andererseits einen zweiten Sensor, der mit dem ersten zusammenwirken soll, um sich von den anderen Effekten als den Effekten der Temperatur zu befreien, integriert. Der erste Sensor mit Lichtleitfaser umfasst eine Lichtquelle 70, eine Vorwärtsübertragungsleitung 72, einen empfindlichen Abschnitt, der eine Einzelschleife 74 aufweist, eine Rückwärtsübertragungsleitung 76 und einen ersten Detektor 78. Die Gesamtheit der Vorwärts- und Rückwärtsübertragungsleitungen ist gemäß einer periodischen Verschachtelung der Lichtleitfasern ausgebildet, um an jedem Punkt dieser Leitungen identische Modenverteilungen zu bewahren. Dieser erste Sensor ist vom Typ mikrogekrümmter Sensor mit positiver Modulation mit einem ersten Signal, das mit der Temperatur zunimmt. Der zweite Sensor ist auch aus einer Lichtleitfaser gebildet, deren empfindlicher Abschnitt in unmittelbarer Nähe zum empfindlichen Abschnitt des ersten Sensors angeordnet ist, um alles oder einen Teil des Strahlungslichtflusses zu erfassen, der in der Nähe der Krümmung der Einzelschleife ausgesandt wird.
Dieser zweite Sensor funktioniert gemäß dem Prinzip einer Antenne, die für das Erfassen der vom ersten Sensor verlorenen Lichtenergie verantwortlich ist. Die als Antenne verwendete Lichtleitfaser ist gegen die Effekte der Temperatur intrinsisch unempfindlich gemacht und wird durch kein Lichtsignal außer jenem, das vom empfindlichen und gekrümmten Abschnitt der ersten Lichtleitfaser ausgesandt wird, erregt. Das erfasste Signal wird anschließend mittels einer oder mehrerer optischer Übertragungsleitungen zu einem zweiten Detektor transportiert.
In der Konfiguration von 4 sind die Sendefaser (der empfindliche Abschnitt des ersten Sensors 74) und die Empfangsfaser (der empfindliche Abschnitt des zweiten Sensors 80) auf einem benachbarten Radius gekrümmt. Die zwei freien Enden der Empfangsfaser sind über Übertragungsleitungen 82, 84 mit einem zweiten Detektor 86 verbunden. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführung baden die Kerne der zwei Fasern in einem Material, das eine Rolle als gemeinsame optische Hülle spielt. Die Übertragung von Licht von der einen zur anderen erfolgt durch Streuung durch dieses optisch aktive Material, dessen Brechungsindex etwas geringer ist als die Indizes des Kerns der zwei Fasern. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung kann eine zusätzliche Vorrichtung zwischen die zwei Fasern eingefügt werden, um die Lichtübertragungsleistung des ersten Sensors zum zweiten Sensor zu erhöhen, indem das vom Material gestreute Licht gesammelt und konzentriert wird. Diese Vorrichtung spielt auch eine Rolle als Isolation, so dass die Empfangsfaser ihre eigene numerische Apertur, die von den Effekten der Temperatur unabhängig ist, bewahren kann. Diese spezielle Anordnung ermöglicht es, Signaländerungen zu erhalten, die zwischen den zwei Sensoren proportional sind.
In seiner einfachsten Form und wie in 5 dargestellt, kann das Material, das diese zusätzliche optische Vorrichtung bildet, vom Glastyp mit einem Index benachbart zu jenem der optischen Hülle, die den Kern der Faser des zweiten Sensors bedeckt, und der etwas höher ist als der Index des Materials der optischen Hülle, die den Kern des ersten Sensors bedeckt, sein. Sie besitzt somit eine Form eines Halbrings 88 mit kleinem transversalen Querschnitt, um sie zwischen die gekrümmten empfindlichen Abschnitte der zwei Sensoren 74, 80 einfügen zu können.
In der Konfiguration von 6 weist die Empfangsfaser (der empfindliche Abschnitt des zweiten Sensors 90) eine gerade Form auf und ist so nah wie möglich zur Sendefaser (dem empfindlichen Abschnitt des ersten Sensors 74) ange ordnet. Ihr entgegengesetztes Ende ist mit einem zweiten Detektor 94 über eine Übertragungsleitung 92 verbunden. Ebenso ist eine zusätzliche Vorrichtung, die eine Rolle als Konzentrierer und Isolator spielt, zwischen den zwei Fasern vorgesehen. Die optischen Eigenschaften des Materials, das diese zusätzliche optische Vorrichtung bildet, sind gleicher Art wie die vorangehenden, aber ihre geometrische Form, die in 7 dargestellt ist, ist jedoch anders. Sie weist nämlich in dieser zweiten Konfiguration eine Form eines Kreisquadranten 96 mit einer abgerundeten Basis mit derselben Krümmung wie der empfindliche Abschnitt des ersten Sensors 74 und einem zugespitzten Scheitelpunkt, der mit dem empfindlichen Abschnitt des zweiten Sensors 90 in Kontakt kommt, auf.
Wie in der Konfiguration von 3 stehen am Ausgang der zwei Detektoren 78; 86, 94 immer zwei Signale zur Verfügung, die in der entgegengesetzten Richtung mit der Temperatur variieren. Deshalb kann die gewichtete Summe dieser zwei Signale ein mit der Temperatur im Wesentlichen konstantes Referenzsignal bilden. Wenn die Temperatur steigt, nehmen andererseits die Verluste des Lichtsignals, die um den gekrümmten empfindlichen Abschnitt des ersten Sensors erzeugt werden, ab, was zu einer Erhöhung des Ausgangssignals des ersten Sensors und einer Verringerung des Ausgangssignals des zweiten Sensors führt. Die von den zwei Sensoren ausgegebenen Signale sind stark korreliert und ermöglichen nach Verarbeitung (analog oder digital), den eigenen Effekt der Temperatur von den anderen Effekten zu unterscheiden. Bei einer Schwankung der von der Lichtquelle 70 ausgesandten Energie besteht folglich gleichzeitig entweder eine Erhöhung oder eine Verringerung der zwei Ausgangssignale der zwei Sensoren. Das Ergebnis ist im Fall von mechanischen Verformungen der optischen Übertragungsleitungen identisch.
Insbesondere werden im Fall einer analogen Verarbeitung die zwei Signale arithmetischen Operatoren unterzogen, die ein Ergebnis des ratiometrischen Typs ergeben. Im Fall einer digitalen Verarbeitung werden diese Signale vorher zu einem Analog-Digital-Umsetzer geschickt, wobei ein Mikrocontroller anschließend programmiert ist, um Korrekturen durch Einwirkung auf die Quelle oder auf die Detektoren oder mittels eines geeigneten Algorithmus vorzunehmen.
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors mit Lichtleitfaser gemäß der Erfindung in einer Reflexionskonfiguration. In diesem Sensor sind die Lichtquelle mit ihrer Sendediode 10, die Vorwärtsübertragungsleitung 12 mit Lichtleitfaser, von der ein Ende fest mit dieser Lichtquelle verbunden ist, der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt 14, der die Übertragungsleitung verlängert und der zwischen die zwei Faserteilstücke 20, 22 eingespannt ist, und die Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung mit einer Photodetektorzelle 18, die in dieser Konfiguration in die Lichtquelle integriert sein kann (eine Trennung der Sendediode und der Photodetektorzelle ist natürlich mit Rückgriff auf einen Koppler 27 oder jegliche andere Trennvorrichtung, wie in 9 dargestellt, möglich), zu finden. Dagegen fehlt die Rückwärtsübertragungsleitung in dieser Konfiguration und ist durch ein ebenes reflektierendes Element, beispielsweise einen Spiegel 24, ersetzt.
Diese Sensorkonfiguration, die es ermöglicht, den allgemeinen Platzbedarf des Sensors sowie die mit der Rückwärtsleitung verbundenen Übertragungsverluste zu verringern, gestattet natürlich Betriebsarten, die zu jenen, die vorher mit Bezug auf 1 beschrieben wurden, identisch sind.
Eine besonders gut an diese Reflexionskonfiguration angepasste Referenzvorrichtung wird nun mit Bezug auf 10 beschrieben. Eine räumlich kohärente Lichtquelle 50 (Laser oder Superlumineszenzdiode) wird verwendet, um ein Lichtsignal in die Übertragungsleitung mit Lichtleitfaser 52 durch ein ebenes optisches Beugungselement 54 einzuspeisen. Ein Beugungsgitter (beispielsweise Bragg-Gitter 56), das direkt vor dem empfindlichen Abschnitt der Lichtleitfaser 58 angeordnet ist, lässt einen Teil des Spektrums des ausgesandten Lichtsignals zurückreflektieren, der, während er gegen die Temperatur unempfindlich ist, auch als Referenzsignal dient. Der Teil des Lichtsignals, der durch das Beugungsgitter übertragen wird, durchläuft auf Grund der Anwesenheit des Spiegels 60 zweimal den empfindlichen Abschnitt 58. Das Rückkehrsignal mit einem vom ersten verschiedenen Spektrum benutzt anschließend denselben Weg wie das Referenzsignal. Direkt vor der Lichtquelle 50 ermöglicht es das optische Beugungselement 54, die zwei Lichtsignale, das Mess- und das Referenzsignal, zu unterscheiden, die jeweils von einem unterschiedlichen Detektor 62, 64 erfasst werden.
Der Sensor mit Lichtleitfaser gemäß der Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf. Beispielsweise kann eine sehr große Linearität, ein großer Messbereich in einem Temperaturbereich von –200 bis 1000°C, eine sehr große Auflösung in der Größenordnung von 10^–4°C, eine sehr große Lebensdauer, eine auf Grund der konstanten Wiederherstellung der Modenverteilungen regelmäßig verteilte Empfindlichkeit, ein sehr geringer Platzbedarf, eine besonders leichte Befestigung durch die ebene Struktur des empfindlichen Abschnitts, eine gute Reproduzierbarkeit, mäßige Herstellungskosten und ein leichter Einsatz angeführt werden.
Es soll noch bemerkt werden, dass diese Struktur in dem Fall, in dem versucht wird, einen Temperaturmittelwert ausgehend von verschiedenen Zonen des zu überwachenden Milieus zu bestimmen, besonders gut angepasst ist. Es genügt nämlich, einen empfindlichen Abschnitt in jeder dieser Zonen anzuordnen und sie durch Übertragungsleitungen miteinander zu verbinden, wobei eine Lichtquelle und ein Detektor ausreichen, um das Aussenden und den Empfang des Lichtsignals, das dieses Netz von Sensoren durchläuft, sicherzustellen.

Claims

Temperatursensor mit Lichtleitfasern, der eine Lichtquelle (10, 30) zum Liefern eines Lichtsignals, einen empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt (14, 34), eine Schaltung (18, 38) zum optischen Erfassen und Verarbeiten, um das von der Lichtquelle ausgesendete und durch den empfindlichen Abschnitt verlaufende Lichtsignal zu empfangen und zu analysieren, und wenigstens eine Lichtleitfaser-Übertragungsleitung (12, 32) zum Verbinden des empfindlichen Abschnitts (14, 34) mit der Lichtquelle (10, 30) und mit der Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung (18, 38) umfasst, wobei der empfindliche Lichtleitfaser-Abschnitt in einem Gitter mit wenigstens einer Krümmung mit ebener Struktur auf einer bestimmten Länge (N1) und mit einer bestimmten Krümmungsamplitude (A1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Übertragungsleitung aus einem Kern und wenigstens einer äußeren optischen Hülle gebildet ist, wobei die optischen Indizes des Kerns bzw. der wenigstens einen optischen Hülle abnehmen, wobei die Koeffizienten, die die Veränderung der optischen Indizes mit der Temperatur angeben, hinsichtlich Amplitude und Vorzeichen im Wesentlichen gleich sind, und dass der empfindliche Abschnitt mit einem Teilstück der Lichtleitfaser übereinstimmt, das von wenigstens einer zusätzlichen Schicht aus einem Material mit einem Index, der kleiner als der Index der einen oder der mehreren optischen Hüllen ist und sich in Abhängigkeit von der Temperatur entgegengesetzt zu dem optischen Index des Kerns des empfindlichen Abschnitts (14, 34) ändert, umgeben ist, derart, dass der empfindliche Abschnitt (14, 34) durch positive oder negative Modulation seiner lokalen numerischen Apertur temperaturempfindlich gemacht wird.
Temperatursensor mit Lichtleitfaser, der eine Lichtquelle (10, 30) zum Ausgeben eines Lichtsignals, einen empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt (14, 34), eine Schaltung (18, 38) zum optischen Erfassen und Verarbeiten, um das von der Lichtquelle ausgesendete und durch den empfindlichen Abschnitt verlaufende Lichtsignal zu empfangen und zu analysieren, und wenigstens eine Lichtleitfaser-Übertragungsleitung (12, 32), um den empfindlichen Abschnitt (14, 34) mit der Lichtquelle (10, 30) und mit der Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung (18, 38) zu verbinden, umfasst, wobei der empfindliche Abschnitt der Lichtleitfaser in einem Gitter mit wenigstens einer Krümmung mit ebener Struktur auf einer bestimmten Länge (N1) und mit einer bestimmten Krümmungsamplitude (A1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser empfindliche Abschnitt ein Lichtleitfaser-Teilstück umfasst, das von seiner oder seinen optischen Hüllen befreit und von wenigstens einer Schicht aus einem Material mit einem Index, der kleiner als der Index der einen oder der mehreren optischen Hüllen ist und sich in Abhängigkeit von der Temperatur entgegengesetzt zu dem optischen Index des Kerns des empfindlichen Abschnitts (14, 34) verändert, umgeben ist, wobei die oder jede Übertragungsleitung aus einem Kern und aus wenigstens einer äußeren optischen Hülle gebildet ist, wobei die optischen Indizes des Kerns bzw. der wenigstens einen optischen Hülle abnehmen, wobei die Koeffizienten, die die Veränderung der optischen Indizes mit der Temperatur hinsichtlich Amplitude und Vorzeichen angeben, im Wesentlichen gleich sind.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite optische Übertragungsleitung (16, 36), die mit dem empfindlichen Abschnitt (14, 34) verbunden ist, außerdem mit der Schaltung (18, 38) zur optischen Erfassung und Verarbeitung verbunden ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein ebenes reflektierendes Element (24) mit dem empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt (14, 34) verbunden ist, wobei die Schaltung (18, 38) zur optischen Erfassung und Verarbeitung ebenfalls mit der Lichtleitfaser-Übertragungsleitung (12, 32) verbunden ist, um das von der Lichtquelle (10) ausgesendete und durch den empfindlichen Abschnitt (14, 34) verlaufende Lichtsignal zu empfangen und zu analysieren, bevor und nachdem es durch das reflektierende Element reflektiert wird.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt periodisch (T1) gekrümmt ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Materialschicht einen optischen Index aufweist, der mit der Temperatur abnimmt, wenn das Kernmaterial seinerseits einen optischen Index aufweist, der konstant ist oder mit der Temperatur zunimmt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Materialschicht einen optischen Index aufweist, der mit der Temperatur zunimmt, wenn das Kernmaterial seinerseits einen optischen Index aufweist, der konstant ist oder mit der Temperatur abnimmt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dessen empfindlicher Abschnitt einen Indexsprung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsperiode in der Weise gewählt ist, dass die folgende Ungleichung erfüllt ist:
wobei
der Betrag des Wellenvektors ist und λ die Lichtwellenlänge ist; n₁ der Brechungsindex des Kernmaterials der Lichtleitfaser ist; n₂ der Brechungsindex des Hüllenmaterials der Lichtleitfaser ist;
die relative Differenz der Brechungsindizes der Kern- und Hüllenmaterialien der Lichtleitfasern ist und ρ der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dessen empfindlicher Abschnitt einen parabolischen Indexgradienten besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsperiode in der Weise gewählt ist, dass die folgende Gleichung (oder Vielfache dieser Gleichung) erfüllt ist:
wobei
die relative Differenz der Indizes des Kernmaterials n₁ und des Hüllenmaterials n₂ der Lichtleitfaser ist und ρ der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem empfindlichen Abschnitt der Lichtleitfaser ein stromaufseitiges bzw. ein stromabseitiges Faserteilstück (20, 22) vorhergeht bzw. folgt, das für die Temperatur intrinsisch unempfindlich ist und in einem Gitter mit periodischen Krümmungen (T2, T3) angeordnet ist, die durch die folgende Beziehung festgelegt sind:
wobei
der Betrag des Wellenvektors ist und λ die Lichtwellenlänge ist; n₁ der Brechungsindex des Kernmaterials der Lichtleitfaser ist; n₂ der Brechungsindex des Hüllenmaterials der Lichtleitfaser ist;
die relative Differenz der Brechungsindizes der Kern- und Hüllenmaterialien der Lichtleitfaser ist und ρ der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist, wobei das Gitter aus periodischen Krümmungen eine ebene Struktur auf einer Länge (N2, N3) aufweist, die durch die verfügbare Kontaktoberfläche mit dem zu überwachenden Milieu definiert ist, wobei die Krümmungsamplitude (A2, A3) ausreichend gering ist, um die Verluste zu begrenzen.
Temperatursensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Längen des stromaufseitigen und des stromabseitigen Lichtleitfaserteilstücks gleich sind.
Temperatursensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Krümmungsperioden des stromaufseitigen und des stromabseitigen Lichtleitfaserteilstücks ausgehend von der Beziehung
bestimmt werden, indem die Terme in der Mitte und auf der rechten Seite dieser Ungleichung gleichgesetzt werden, wodurch eine optimale Kopplung zwischen allen geführten Ausbreitungsmoden gewährleistet ist, ohne Kopplungen mit den Strahlungsmoden hervorzurufen.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Lichtleitfaser-Übertragungsleitung und der empfindliche Lichtleitfaserabschnitt eine einzige Lichtleitfaser bilden.
Temperatursensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der empfindliche Abschnitt durch eine Multimodenfaser gebildet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine erste und eine zweite Lichtleitfaser-Übertragungsleitung umfasst, die mitein ander verschachtelt sind, um ein Gitter mit Krümmungen geringer Amplitude und bestimmter Periode zu bilden.
Temperatursensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Periode ausgehend von der Beziehung
bestimmt wird, wobei
der Betrag des Wellenvektors ist und λ die Lichtwellenlänge ist; n₁ der Brechungsindex des Kernmaterials der Lichtleitfaser ist; n₂ der Brechungsindex des Hüllenmaterials der Lichtleitfaser ist;
die relative Differenz der Brechungsindizes des Kernmaterials und des Hüllenmaterials der Lichtleitfaser ist und ρ der Radius des Kerns der Lichtleitfaser ist, indem die Terme in der Mitte und auf der rechten Seite dieser Ungleichung gleichgesetzt werden, derart, dass eine optimale Kopplung zwischen der Gesamtheit der geführten Ausbreitungsmoden erhalten wird, ohne eine Kopplung mit den Strahlungsmoden hervorzurufen.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle unter den drei folgenden Quellen ausgewählt ist: eine kohärente Lichtquelle des Typs Laser, eine partiell kohärente Lichtquelle des Typs Superlumineszenzdiode oder eine schwach kohärente Lichtquelle des Typs Lumineszenzdiode.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle an einem Ende einer ersten Lichtleitfaser-Übertragungsleitung (12, 32, 42) fest verbunden ist, wobei das Erfassungselement mit einem Ende einer zweiten Lichtleitfaser-Übertragungsleitung (16, 36, 46) fest verbunden ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrogekrümmte Lichtleitfaser Verformungsbeanspruchungen von null unterliegt.
Temperaturmessvorrichtung, die mit einem ersten Temperatursensor nach Anspruch 1 und mit einem in der Nähe des ersten Sensors angeordneten zweiten Sensor versehen ist, wobei die zwei Sensoren, die nahe nebeneinander angeordnet sind, durch eine gemeinsame Lichtquelle (30) gespeist werden und jeweils ein Ausgangslichtsignal auf Höhe eines ersten bzw. eines zweiten Detektors liefern, wobei ein Lichtleitfaserabschnitt (44) eines dieser zwei Sensoren nicht temperaturempfindlich ist, um die Lieferung auf Höhe des entsprechenden Detektors (48) eines in Bezug auf die Temperatur im Wesentlichen konstanten Referenzsignals zu ermöglichen.
Temperaturmessvorrichtung, die mit zwei Temperatursensoren nach Anspruch 1 versehen ist, wobei diese beiden Sensoren, die nahe nebeneinander in dem zu überwachenden Milieu angeordnet sind, von einer gemeinsamen Lichtquelle (30) gespeist werden und jeweils ein Ausgangslichtsignal auf Höhe eines ersten bzw. eines zweiten Detektors liefern, wobei die empfindlichen Lichtleitfaserabschnitte (34, 44) dieser beiden Sensoren Materialien mit mit der Temperatur variierenden Indexkoeffizienten mit entgegengesetzten Vorzeichen haben, um die Lieferung auf Höhe des ersten und des zweiten Detektors (38, 48) von Lichtsignalen zu ermöglichen, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur entgegengesetzt ändern, wobei die Summe dieser beiden Signale ein Referenzsignal bildet, das in Bezug auf die Temperatur im Wesentlichen konstant ist.
Temperaturmessvorrichtung, die mit einem ersten Temperatursensor nach Anspruch 1 versehen ist, der eine Lichtquelle (70), eine Vorwärtsübertragungsleitung (72), einen empfindlichen Abschnitt (74) mit Einzelschleife, eine Rückwärtsübertragungsleitung (76) und einen ersten Detektor (78) umfasst, wobei dieser erste Sensor dazu bestimmt ist, mit einem zweiten Temperatursensor zusammenzuwirken, dessen empfindlicher Abschnitt (90) in unmittelbarer Nähe des empfindlichen Abschnitts des ersten Sensors (74) angeordnet ist, derart, dass der gesamte Strahlungslichtfluss oder ein Teil hiervon, der in der Umgebung der genannten Einzelschleife ausgesendet wird, aufgefangen und zu einem zweiten Detektor (86; 94) mittels einer (92) oder mehrerer (82, 84) optischer Übertragungsleitungen gelenkt wird, wobei sich die Lichtsignale, die auf Höhe des ersten und des zweiten Detektors (78; 86, 94) ankommen, in Abhängigkeit von der Temperatur entgegengesetzt ändern.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die empfindlichen Abschnitte des ersten und des zweiten Sensors (74, 80) auf einem benachbarten Radius gekrümmt sind, wobei die zwei freien Enden der Empfangsfaser über optische Übertragungsleitungen (82, 84) mit einem zweiten Detektor (86) verbunden sind.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der empfindliche Abschnitt des zweiten Sensors (90) eine gerade Form hat und so nahe wie möglich bei dem empfindlichen Abschnitt des ersten Sensors (74) angeordnet ist, wobei sein gegenüberliegendes Ende über eine optische Übertragungsleitung (92) mit einem zweiten Detektor (94) verbunden ist.
Temperaturmessvorrichtung nach den Ansprüchen 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine zusätzliche optische Vorrichtung (88, 96) umfasst, die zwischen die empfindlichen Abschnitte der zwei Sensoren eingesetzt ist und die Funktion eines Lichtkonzentrierers hat, um die Lichtübertragungsleistung von dem ersten Sensor (74) zu dem zweiten Sensor (90) zu erhöhen.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche optische Vorrichtung aus einem Material gebildet ist, dessen Brechungsindex in der Nähe jenes der optischen Hülle liegt, die den Kern der Faser des zweiten Sensors (90) abdeckt, und etwas größer als der Index des Materials der optischen Hülle ist, die den Kern des ersten Sensors (74) abdeckt.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 25, wenn abhängig von Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Vorrichtung die Form eines Halbrings (88) mit kleinem transversalen Querschnitt aufweist, derart, dass sie zwischen die beiden gekrümmten empfindlichen Abschnitte des ersten bzw. des zweiten Sensors (74, 80) eingesetzt werden kann.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 25, wenn abhängig von Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Vorrichtung die Form eines Kreisquadranten (96) mit einer abgerundeten Basis mit einer Krümmung, die gleich jener des empfindlichen Abschnitts des ersten Sensors (74) ist, und mit einem zugespitzten Scheitelpunkt, der mit dem empfindlichen Abschnitt des zweiten Sensors (90) in Kontakt gelangt, aufweist.
Temperaturmessvorrichtung, die mit einem Temperatursensor nach Anspruch 2 versehen ist, der eine Lichtquelle (50), eine Lichtleitfaser-Übertragungsleitung (52), einen empfindlichen Lichtleitfaserabschnitt (58), ein ebenes reflektierendes Element (60) und einen ersten Detektor (62) umfasst, wobei dieser Sensor außerdem ein Beugungsgitter (56) aufweist, das direkt vor dem empfindlichen Abschnitt der Lichtleitfaser angeordnet ist, um einen Teil des Spektrums des Lichtsignals, das von der Lichtquelle ausgesendet wird, als Refe renzsignal zurückzureflektieren, wobei ein ebenes Beugungselement (54), das direkt vor dieser Lichtquelle angeordnet ist, ermöglicht, dieses Referenzsignal zu einem zweiten Detektor (64) zu lenken, und das Messlichtsignal zu dem ersten Detektor gelenkt wird, nachdem es ebenfalls durch dieses ebene Beugungselement gelaufen ist.
Temperaturmessvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle vom räumlich kohärenten Typ wie etwa eine Laserdiode oder eine Superlumineszenzdiode ist.
Verfahren zum Herstellen einer Temperaturmessvorrichtung, wenn abhängig von einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem die Summe der zwei Signale, die auf Höhe des ersten bzw. des zweiten Detektors (78; 86, 94) ankommen, gewichtet wird, um ein Referenzsignal zu bilden, das in Bezug auf die Temperatur im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die zwei Signale arithmetischen Operatoren unterworfen werden, die ein Ergebnis des ratiometrischen Typs ergeben.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die zwei Signale einer digitalen Verarbeitung unterworfen werden, wobei diese Signale vorher zu einem Analog/Digital-Umsetzer und dann zu einem Mikrocontroller geschickt werden, der so programmiert ist, dass er durch Einwirken auf die Quelle oder auf die Detektoren oder mittels eines geeigneten Algorithmus Korrekturen ausführt.
Verfahren für die Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Prozess zum Formen der Lichtleitfaser verwendet wird, bei dem die Lichtleitfaser auf einer bestimmten Länge von ihrer mechanischen Beschichtung und eventuell von ihrer oder ihren optischen Hüllen befreit wird und dann auf einen ebenen Träger fixiert wird, der mit im Voraus festgelegten Krümmungen versehen ist, wobei die Gesamtheit anschließend auf eine Temperatur gebracht wird, die ausreicht, um ein Erweichen der Materialien sicherzustellen, wobei anschließend, sobald die Faser ihre mikrogekrümmte Form angenommen hat, dieser freigelegte Teil mit einer oder mit mehreren Schichten aus Materialien mit abnehmenden Indizes, die mit dem Index des Kerns der Faser optisch kompatibel sind, beschichtet wird, jedoch in Bezug auf die Temperatur Veränderungseigenschaften zeigen, die zu jenen des Kerns entgegengesetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der empfindliche Abschnitt der Lichtleitfaser von einem letzten Material umgeben wird, das außerdem als Gehäuse dienen kann, das dem empfindlichen Abschnitt des Sensors seinen endgültigen mechanischen Widerstand und seine endgültige mechanische Haltbarkeit verleiht.