EP1141663A1 - Fibre bragg grating sensors for measuring a physical magnitude - Google Patents

Fibre bragg grating sensors for measuring a physical magnitude

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Publication number
EP1141663A1
EP1141663A1 EP99967876A EP99967876A EP1141663A1 EP 1141663 A1 EP1141663 A1 EP 1141663A1 EP 99967876 A EP99967876 A EP 99967876A EP 99967876 A EP99967876 A EP 99967876A EP 1141663 A1 EP1141663 A1 EP 1141663A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
grating
bragg
specific
optical
wavelengths
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99967876A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mario Bechtold
Peter KRÄMMER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1141663A1 publication Critical patent/EP1141663A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques

Definitions

  • the invention relates to a Bragg grating sensor arrangement for scanning at least one physical variable.
  • the physical quantity to be scanned can be, for example, a tensile stress, the temperature, a pressure, ultrasound, an acceleration, a strong magnetic field and / or a force.
  • At least one optical Bragg grating with a grating-specific Bragg wavelength, which is reflected by this grating when it is contained in the radiation transmitted on the transmission path, is arranged on at least one optical transmission path for transmitting optical radiation. while any wavelength contained in this radiation other than this Bragg wavelength passes through the grating.
  • the Bragg wavelength of a grating varies depending on a change in the physical quantity acting on this grating.
  • the optical transmission path consists of an optical fiber in which a Bragg grating is realized by periodic fluctuations in the refractive index.
  • Bragg gratings are arranged with mutually different grating-specific Bragg wavelengths and each of which is available for transmitting an optical radiation generated by a common optical radiation source.
  • a special implementation of a particular embodiment has a tunable optical radiation source for generating narrow-band optical radiation at a specific wavelength, and the source is controlled so that the specific wavelength changes over time and thereby passes through a wavelength range which covers the various grating-specific Bragg wavelengths contains all Bragg gratings in the optical fiber (s), so that the specific wavelength is at least once in time at each of these grating-specific Bragg wavelengths.
  • the specific wavelength which is varied in time in this way is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber. Since the transmitted wavelength is at different times at the grating-specific Bragg wavelength of each Bragg grating and is thereby reflected by this grating, a time sequence of different reflected grating-specific Bragg wavelengths arises.
  • the tunable radiation source for generating the narrow-band optical radiation at the specific wavelength consists in one case, for example, of an optical beam.
  • the wavelength scanner is controlled to change the specific wavelength over time with the constantly monotonically changing signal of a ramp generator, which causes the specific wavelength to pass through the entire wavelength range of the broadband radiation again and again and thus the desired temporally varied specific wavelength arises, which is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber.
  • the tunable radiation source for generating the narrowband optical radiation at the specific wavelength comprises, for example, an optical radiation source for generating a broadband optical
  • a tunable Fabry-Perot filter which is connected downstream of the broadband source and a tunable interferometric wavelength scanner, which in turn is connected after the Fabry-Perot filter.
  • the wavelength range of the broadband radiation is set, each of these subregions containing the grating-specific Bragg wavelength each of one of the Bragg gratings alone. If this filter is set to such a partial area, it emits optical radiation which contains only this partial area. For the time sequential setting of the subareas, the Filter driven with a step-wise monotonically changing signal of a step signal generator.
  • the tunable interferometric wavelength scanner generates from each radiation set by the Fabry-Perot filter on a narrow-band wavelength sub-region a narrow-band radiation which is at a specific wavelength.
  • the wavelength scanner is controlled in each sub-area so that the specific wavelength changes in time in this sub-area and passes through this sub-area.
  • the wavelength scanner is activated with a signal from a ramp generator, which changes monotonically over time in each set sub-area.
  • the narrow-band wavelength sub-ranges are set one after the other in time and the specific wavelength when passing through each of these sub-ranges meets the grating-specific Bragg wavelength contained in this sub-range once again, a specific wavelength is at different times at the grating-specific Bragg wavelength each Bragg grating and thus forms the desired time-varying wavelength that is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber
  • a receiver device receives and detects the temporal sequence of the grating-specific Bragg wavelengths reflected by the Bragg gratings, which is generated in the fiber during the transmission of the coupled, time-varying, determined wavelength. Since the grating-specific Bragg wavelength of each Bragg grating varies with a change in the physical size acting on the grating, the detected reflected Bragg wavelength of each grating is a measure of the actual value of the physical size at the location of this grating.
  • the receiver device can have a broadband optical input, the bandwidth of which comprises the grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings. Such a broadband input can be implemented, for example, by a photo diode.
  • Another special implementation of a known embodiment has an optical radiation source for generating a broadband optical radiation with a wavelength range which contains the grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings in at least one optical fiber at the same time.
  • This broadband radiation is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber. Since this transmitted radiation contains the grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings at the same time, an optical radiation arises which contains the grating-specific Bragg wavelengths reflected on all Bragg gratings of the fiber essentially simultaneously, in contrast to the one specific implementation of the particular embodiment .
  • a receiver device receives all the detected grating-specific Bragg wavelengths and detects them. Since the grating-specific Bragg wavelength of each Bragg grating also varies with a change in the physical size acting on the grating, the detected reflected Bragg wavelength of each grating is a measure of the actual value of the physical size at the location of this grating.
  • This receiver device must be able to separate the simultaneously received reflected grating-specific Bragg wavelengths from one another and therefore requires a narrow-band optical input which only detects one wavelength at a time.
  • this device have a spectrometer that scans the simultaneously present reflected grating-specific Bragg wavelengths one after the other.
  • the invention is based on the object of specifying a Bragg grating sensor arrangement for scanning at least one specific physical variable, which has at least one optical transmission path for transmitting optical radiation and at least two optical Bragg gratings arranged one after the other in the transmission path and having different grating-specific Bragg gratings. Has wavelengths and which is particularly inexpensive to implement especially when using two or more such optical transmission paths.
  • the Bragg grating sensor arrangement comprises an optical radiation source for generating optical radiation, the specific optical wavelength for each Bragg grating that is assigned to this grating alone, at least close to the grating-specific Bragg wavelength this grating lies and has an individual variation in time within a wavelength range assigned only to this grating, and for the simultaneous coupling of all these time-varying specific wavelengths into the transmission path for simultaneous transmission in this way.
  • This radiation source is similar to the known radiation sources described above, in which the different temporally varied specific optical wavelengths are coupled into the transmission path for transmission in this way not at the same time, but successively in time, a tunable radiation source, but it is constructed and operated differently like these well-known radiation sources.
  • this radiation source of the sensor arrangement according to the invention has the advantage that each particular optical wavelength that is contained in the radiation generated by this source and each is assigned to one of the Bragg gratings only has to pass through a narrow wavelength range during its variation over time, which is small relative to a large wavelength range containing all of these specific wavelengths and only has to contain the grating-specific Bragg wavelength of the Bragg grating to which this specific wavelength is assigned alone.
  • this radiation source advantageously eliminates the need for a wavelength scanner or Fabry-Perot filter with a large tuning range, which extends over a large wavelength range containing all grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings.
  • the radiation source advantageously only requires an optical source which generates all the specific optical wavelengths assigned to a Bragg grating at the same time, and a device downstream of this source for varying each of these wavelengths in time in a narrow wavelength range.
  • the optical source can advantageously consist of an inexpensive conventional broadband source and the device for varying each specific wavelength to be varied can have a tunable wavelength scanner, which can only be tuned in the respective narrow wavelength range and therefore does not make high demands with regard to tunability and is inexpensive can be.
  • the respective tunable wavelength scanner can be an interferometric wavelength scanner controlled by the signal of a ramp generator, as is known from the document mentioned at the beginning.
  • the optical radiation source has a broadband source for generating an optical radiation with a continuous bandwidth, in which all the specific optical wavelengths to be generated and individually varied in time are contained, and for each specific wavelength to be generated each have an individually tunable Bragg grating with a grating-specific Bragg wavelength that defines this specific wavelength, the broadband radiation being supplied to all these Bragg gratings at the same time and all gratings reflecting their grating-specific Bragg wavelengths and essentially simultaneously as being from the radiation source generate certain wavelengths.
  • Each of these tunable Bragg gratings can be tuned using a piezo actuator.
  • this arrangement comprises a receiver device for receiving and detecting all grating-specific Bragg wavelengths which are reflected at the same time by the Bragg gratings during the simultaneous transmission of all time-varying specific wavelengths on the transmission path.
  • "Essentially” means that optical time differences and the temporal variation of each specific optical wavelength assigned to a grating alone are negligible in the wavelength range assigned only to this grating.
  • the receiver device of the arrangement according to the invention can have a spectrometer with a narrow-band optical input that detects the reflected grating specific Bragg wavelengths sequentially sampled.
  • a particular advantage of the sensor arrangement according to the invention can be seen in the novel working principle of the radiation source of this arrangement, according to which the specific wavelengths which are simultaneously contained in the optical radiation generated by this source are individually varied in time.
  • This individual variation offers the possibility of temporally varying at least two specific optical wavelengths different from one another in the optical radiation generated by the radiation source and to be coupled into the at least one optical transmission path, with frequencies different from one another.
  • the grating-specific Bragg wavelength reflected by a Bragg grating advantageously appears at the frequency with which the specific optical wavelength assigned to this grating and coupled into the optical transmission path is varied over time within the relevant narrow wavelength range. If two specific wavelengths, which are assigned to two different Bragg gratings, are varied with mutually different frequencies, then the grating-specific Bragg wavelengths reflected by these gratings appear with mutually different frequencies and can thus be distinguished from one another.
  • the receiver device of the sensor arrangement according to the invention can have a broadband optical input with a bandwidth that includes all grating-specific Bragg wavelengths that appear with different frequencies.
  • a broadband input can advantageously be realized with a conventional photodetector and can therefore be cheap. This is particularly advantageous in the case of a sensor arrangement with two or more optical transmission paths, since only one cheap ger broadband optical input and no expensive spectrometer must be available.
  • the receiver device has means for frequency-separating the reflected grating-specific Bragg wavelengths with the different frequencies, which can be realized with conventional and inexpensive electronic means.
  • a further advantage of the sensor arrangement according to the invention lies in the higher sampling rate compared to the conventional arrangements, which have a tunable optical radiation source for generating certain optical wavelengths which are successively coupled into the optical transmission path.
  • FIG. 1 is a block diagram schematic representation of an embodiment of the arrangement according to the invention
  • Figure 3 is a block diagram schematic representation of an embodiment of an optical radiation source of the arrangement according to the invention.
  • the grating-specific Bragg wavelength ⁇ l, ⁇ 2, ... or ⁇ N of each grating 11, 12, ... or IN varies depending on a change ⁇ X in the physical effects acting on this grating 11, 12, ... or IN Size X.
  • Transmission path 1 transmitted radiation is included, this wavelength ⁇ l, ⁇ 2, ... or ⁇ N is reflected by this grating 11, 12, ... or IN alone.
  • An optical radiation source 2 generates an optical radiation P with a wavelength spectrum shown in FIG. 2, in which the intensity I of the radiation P is plotted over the wavelength ⁇ .
  • the radiation P has a number N of spectral lines at the same time, each of which lies at a different optical wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02,... ⁇ ON, which is different from N and is represented by a narrow-band intensity curve 100.
  • Each of the N wavelengths ⁇ Oi, ⁇ 02, ... ⁇ ON present in the radiation P is assigned to a Bragg grating 11, 12, ... or IN alone and is at least close to the grating-specific Bragg wavelength ⁇ l, ⁇ , ... ⁇ N of this grid 11, 12, ... or IN and is within a world assigned only to this grid 11, 12, ... or IN length range ⁇ Ol, ⁇ 02, ... or ⁇ ON varies individually over time.
  • All N different specific optical wavelengths ⁇ Oi, ⁇ 02, ... ⁇ ON of the radiation P are temporally varied with mutually different frequencies ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N, so that each specific wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON with a other frequency ⁇ l, ⁇ > 2, ... or ⁇ N is varied individually in time.
  • FIG. 3 shows an example of a particularly advantageous embodiment of the optical radiation source 2 for the sensor arrangement according to FIG. 1.
  • the radiation source 2 has a broadband source 22 for generating an optical radiation PO with a continuous bandwidth ⁇ O, in which all of of the radiation source 2 to be generated and individually varied in time with certain optical wavelengths ⁇ Oi, ⁇ 02, ... ⁇ ON.
  • ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON there is an individually tunable Bragg grating 221, 222, ... or 22N with a wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON that defines this specific wavelength grating-specific Bragg wavelength available.
  • the broadband radiation PO from the source 22 is supplied to all of these Bragg gratings 221, 222, ... 22N at the same time and all gratings 221, 222, ... 22N reflect their grating-specific Bragg wavelengths and simultaneously output them as the specific wavelengths ⁇ Oi, ⁇ 02, ... ⁇ ON to be generated by the radiation source 2.
  • the specific optical wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON generated by such a tunable Bragg grating 221, 222, ... or 22N can be varied in time by tuning this grating 221, 222, ... or 22N .
  • Each tunable Bragg grating 221, 222, ... or 22N can be tuned by a piezo actuator 231, 232, ... 23N, each of which has an electrical control signal UI, U2, ... UN, for example an electrical one Voltage, can be controlled. If a control signal UI, U2, ... or UN fluctuates at a frequency ⁇ l, ⁇ 2, ... or ⁇ N, the Bragg grating 221 that can be tuned by the signal UI, U2, ... or UN belonging to this signal , 222, ... or 22N generated certain optical wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON with this frequency ⁇ l, ⁇ 2, ... or ⁇ N varies with time.
  • the specific optical wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON generated by a tunable Bragg grating 221, 222,... Or 22N and reflected back in the direction of the broadband source 22 can be fed from the beam path to the one generated by this source 22 Radiation PO using an optical
  • Coupler 201, 202, ... or 20N are coupled out, which can advantageously be a simple 2 x 2 coupler.
  • each broadband source 22 is formed in an optical fiber 220, into which a radiation component of the radiation PO generated by the broadband source 22 is coupled, which is fed in this fiber 220 to this grating 221, 222,... Or 22N, and the specific wavelength ⁇ Oi, ⁇ 02, ... or ⁇ ON generated by this grating 221, 222, ... or 22N is coupled out of the fiber 220 by a coupler 201, 202, ... 20N arranged in this fiber 220 .
  • the time-varying specific wavelengths ⁇ Oi, ⁇ 02,... ⁇ ON generated by this source 2 are simultaneously coupled into each transmission path 1 for simultaneous transmission on this path 1.
  • Radiation source 2 can be viewed, to which the radiation P is supplied and which divides this radiation P into M radiation components Pl, P2,... PM.
  • Each radiation component P1, P2,... Or PM contains all of the individual wavelengths ⁇ Oi, ⁇ 02,... ⁇ ON, which are individually varied in time, and is coupled into one and only this one of the M transmission paths 1.
  • the radiation P is divided into M equal radiation components Pl, P2, ... PM with the respective intensity I / M.
  • the grating-specific Bragg wavelengths ⁇ l, ⁇ , ... ⁇ N reflected by the Bragg gratings 11, 12, ... IN of a transmission path 1 are returned in this way 1 in the direction of the radiation source 2 and meet one arranged in this path 1 optical coupler 10 for decoupling these wavelengths ⁇ l, ⁇ , ... ⁇ N from this path 1 and essentially simultaneously feeding these wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N to an optical input 30 of a receiver device 3 for receiving and detecting all of these wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N.
  • An optical coupler 10 can e.g. can be easily realized by a 2 x 2 coupler.
  • an optical coupler 10 is arranged in each of these paths, to which an optical input 30 of the receiver device 3 is assigned, to which the grating-specific Bragg reflected in this path 1 and decoupled by this coupler 10 is assigned.
  • Wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N are supplied essentially simultaneously.
  • the number N of Bragg gratings 11, 12,... IN in a transmission path 1 can be the same or different for different paths 1.
  • grating-specific Bragg wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N can be the same or different for different paths.
  • the receiver device 3 is designed in such a way that it detects the grating-specific Bragg wavelengths ⁇ l, ⁇ 2,. ⁇ ON on the relevant transmission path 1 are reflected by the Bragg gratings 11, 12, ... IN this path 1 essentially simultaneously.
  • the receiver device 3 has a device 31 in which the reflected grating-specific Bragg wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N are separated in terms of frequency, each of which occurs with a different frequency ⁇ l, ⁇ 2, ... or ⁇ N and is uniquely coded by this frequency ⁇ l, ⁇ 2, ... or ⁇ N.
  • the frequency-related separation of these coded wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N can be done with conventional means, for example with frequency filters.
  • Each of the separate coded wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N can be individually phase-detected in a conventional manner and the value of the specific physical quantity X can be determined at the location of the Bragg grating to which this coded wavelength is assigned. By comparing this value of the determined physical quantity X with a constant reference value of this quantity X, a change ⁇ X of this quantity X can be determined at the location of this grid.
  • a device for individual phase detection can, for example, an N- Be channel phase detector, which is part of the device 31, for example, in which the coded frequency wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N are separated.
  • a control signal from the optical radiation source 2 or an optical transmission path with two or more Bragg gratings of different grating-specific Bragg wavelengths, for example one or more of the M transmission paths 1 in FIG. 1, can be used.
  • a control signal for establishing a reference value of the optical radiation source 2 can, for example, be an N-channel phase reference signal 300, which e.g. emitted by the N-channel phase detector in the device 31 and, for example, fed to a control device 21 for controlling the optical radiation source 2.
  • an optical transmission path with Bragg gratings used to determine a reference value can be in temperature equilibrium with the radiation source.
  • Each optical input 30 can advantageously be a broadband input with a bandwidth which comprises all of the reflected grating-specific Bragg wavelengths ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N that appear with the mutually different frequencies ⁇ l, ⁇ 2, ... ⁇ N.
  • a broadband input 30 can consist of a photodetector, for example a photodiode.

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Abstract

The fibre Bragg grating sensor array has several Bragg gratings (1i, i = 1,2, ... N) disposed one after the other in an optical fibre (1) with different Bragg wavelengths ( lambda i). The wavelengths ( lambda 0i) located in the fibre in the proximity of said Bragg wavelengths, which are varied individually with different frequencies ( omega i), are simultaneously transmitted to the gratings and the substantially simultaneous grating reflecting frequency coded Bragg wavelengths are separated according to their frequency and phase decoded. The invention provides the advantage of being cost-effective, especially when several fibres are used.

Description

Beschreibungdescription
Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Abtastung einer physikalischen GrößeBragg grating sensor arrangement for scanning a physical quantity
Die Erfindung betrifft eine Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Abtastung zumindest einer physikalischen Größe.The invention relates to a Bragg grating sensor arrangement for scanning at least one physical variable.
Bragg-Gitter-Sensoranordnungen zur Abtastung zumindest einer bestimmten physikalischen Größe sind bekannt und beispielsweise in Yun-Iang Rao : "In-Fiber Bragg Grating Sensors", ess. Sei. Technol. 8 (1997) S. 355-375 in zahlreichen Ausführungsformen beschrieben. Die abzutastende physikalische Größe kann gemäß diesem Dokument beispielsweise eine Zugspan- nung, die Temperatur, ein Druck, Ultraschall, eine Beschleunigung, ein starkes Magnetfeld und/oder eine Kraft sein.Bragg grating sensor arrangements for scanning at least one specific physical variable are known and are described, for example, in Yun-Iang Rao: "In-Fiber Bragg Grating Sensors", ess. Be. Technol. 8 (1997) pp. 355-375 in numerous embodiments. According to this document, the physical quantity to be scanned can be, for example, a tensile stress, the temperature, a pressure, ultrasound, an acceleration, a strong magnetic field and / or a force.
Bei jeder dieser bekannten Ausführungsformen ist auf wenigstens einem optischen Übertragungsweg zur Übertragung opti- scher Strahlung zumindest ein optisches Bragg-Gitter mit einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge angeordnet, die von diesem Gitter reflektiert wird, wenn Sie in der auf dem Übertragungsweg übertragenen Strahlung enthalten ist, während jede in dieser Strahlung enthaltene Wellenlänge, die von dieser Bragg-Wellenlänge verschieden ist, durch das Gitter hindurchgeht. Die Bragg-Wellenlänge eines Gitters variiert in Abhängigkeit von einer Änderung der auf dieses Gitter einwirkenden physikalischen Größe.In each of these known embodiments, at least one optical Bragg grating with a grating-specific Bragg wavelength, which is reflected by this grating when it is contained in the radiation transmitted on the transmission path, is arranged on at least one optical transmission path for transmitting optical radiation. while any wavelength contained in this radiation other than this Bragg wavelength passes through the grating. The Bragg wavelength of a grating varies depending on a change in the physical quantity acting on this grating.
Der optische Übertragungsweg besteht bei jeder dieser Ausführungsformen aus einer optischen Faser, in der ein Bragg- Gitter durch periodische Brechungsindexschwankungen realisiert ist.In each of these embodiments, the optical transmission path consists of an optical fiber in which a Bragg grating is realized by periodic fluctuations in the refractive index.
Bei besonderen Ausführungsformen sind auf einer optischen Faser mehrere in der Faser nacheinander angeordnete optische Bragg-Gitter mit voneinander verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen angeordnet, wobei die gitterspezifische Bragg-Wellenlänge jedes Gitters in Abhängigkeit von einer Änderung der auf dieses Gitter einwirkenden physikalischen Größe variiert und, wenn sie in der auf der optischen Faser übertragenen Strahlung enthalten ist, von diesem Gitter allein reflektiert wird.In particular embodiments, there are a plurality of optical Bragg gratings arranged one after the other in the fiber with different grating-specific ones on an optical fiber Bragg wavelengths arranged, wherein the grating-specific Bragg wavelength of each grating varies depending on a change in the physical size acting on this grating and, if it is contained in the radiation transmitted on the optical fiber, is reflected by this grating alone.
Unter diesen besonderen Ausführungsformen sind solche, die statt nur einer zwei oder mehrere Fasern aufweisen, in deren jeder jeweils mehrere nacheinander angeordnete optischeAmong these special embodiments are those which, instead of just one, have two or more fibers, each of which has a plurality of optical fibers arranged one after the other
Bragg-Gitter mit voneinander verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen angeordnet sind und deren jede zur Übertragung einer von einer gemeinsamen optischen Strahlungsquelle erzeugten optischen Strahlung vorhanden ist.Bragg gratings are arranged with mutually different grating-specific Bragg wavelengths and each of which is available for transmitting an optical radiation generated by a common optical radiation source.
Eine spezielle Realisierung einer besonderen Ausführungsform weist eine abstimmbare optische Strahlungsquelle zur Erzeugung einer schmalbandigen optischen Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge auf, und die Quelle wird so gesteuert, daß sich die bestimmte Wellenlänge zeitlich ändert und dabei einen Wellenlängenbereich durchfährt, der die verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen sämtlicher Bragg-Gitter in der oder den optischen Fasern enthält, so daß die bestimmte Wellenlänge zeitlich nacheinander wenigstens einmal bei jeder dieser gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen liegt.A special implementation of a particular embodiment has a tunable optical radiation source for generating narrow-band optical radiation at a specific wavelength, and the source is controlled so that the specific wavelength changes over time and thereby passes through a wavelength range which covers the various grating-specific Bragg wavelengths contains all Bragg gratings in the optical fiber (s), so that the specific wavelength is at least once in time at each of these grating-specific Bragg wavelengths.
Die derart zeitlich variierte bestimmte Wellenlänge wird in die optische Faser eingekoppelt und in der Faser übertragen. Da die übertragene Wellenlänge zu verschiedenen Zeitpunkten bei der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge jedes Bragg- Gitters liegt und dabei von diesem Gitter reflektiert wird, entsteht eine zeitliche Folge verschiedener reflektierter gitterspezifischer Bragg-Wellenlängen.The specific wavelength which is varied in time in this way is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber. Since the transmitted wavelength is at different times at the grating-specific Bragg wavelength of each Bragg grating and is thereby reflected by this grating, a time sequence of different reflected grating-specific Bragg wavelengths arises.
Die abstimmbare Strahlungsquelle zur Erzeugung der schmalbandigen optischen Strahlung bei der bestimmten Wellenlänge besteht in einem Fall beispielsweise aus einer optischen Strah- lungsquelle zur Erzeugung einer breitbandigen optis-chen Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, der die verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen sämtlicher Bragg- Gitter in der oder den optischen Fasern gleichzeitig enthält, und aus einem abstimmbaren Wellenlängenabtaster, welcher der breitbandigen Quelle nachgeschaltet ist und aus der breitbandigen Strahlung eine schmalbandige Strahlung erzeugt, die bei der bestimmten Wellenlänge liegt. Der Wellenlängenabtas-ter wird zur zeitlichen Änderung der bestimmten Wellenlänge mit dem stetig monoton sich ändernden Signal eines Rampenge-ne- rators angesteuert, das bewirkt, daß die bestimmte Wellenlänge den gesamten Wellenlängenbereich der breitbandigen Strahlung immer wieder durchfährt und so die gewünschte zeitlich variierte bestimmte Wellenlänge entsteht, die in die op- tische Faser eingekoppelt und in der Faser übertragen wird.The tunable radiation source for generating the narrow-band optical radiation at the specific wavelength consists in one case, for example, of an optical beam. Development source for generating a broadband optical radiation with a wavelength range which contains the various grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings in the optical fiber or fibers at the same time, and from a tunable wavelength scanner which is connected downstream of the broadband source and from the broadband radiation generates a narrow-band radiation that lies at the specific wavelength. The wavelength scanner is controlled to change the specific wavelength over time with the constantly monotonically changing signal of a ramp generator, which causes the specific wavelength to pass through the entire wavelength range of the broadband radiation again and again and thus the desired temporally varied specific wavelength arises, which is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber.
In einem anderen Fall umfaßt die abstimmbare Strahlungsquelle zur Erzeugung der schmalbandigen optischen Strahlung bei der bestimmten Wellenlänge beispielsweise eine optische Strah- lungsquelle zur Erzeugung einer breitbandigen optischenIn another case, the tunable radiation source for generating the narrowband optical radiation at the specific wavelength comprises, for example, an optical radiation source for generating a broadband optical
Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, der die verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen sämtlicher Bragg- Gitter in der oder den optischen Fasern gleichzeitig enthält, ein abstimmbares Fabry-Perot-Filter, welches der breitbandi- gen Quelle nachgeschaltet ist und einen abstim baren inter- ferometrischen Wellenlängenabtaster, welcher wiederum dem Fabry-Perot-Filter nachgeschaltet ist.Radiation with a wavelength range that contains the different grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings in the optical fiber or fibers at the same time, a tunable Fabry-Perot filter which is connected downstream of the broadband source and a tunable interferometric wavelength scanner, which in turn is connected after the Fabry-Perot filter.
Mit dem Fabry-Perot-Filter werden zeitlich nacheinander schmalerbandige Wellenlängenteilbereiche aus dem gesamtenWith the Fabry-Perot filter, narrow-band wavelength subregions are sequentially separated from the whole
Wellenlängenbereich der breitbandigen Strahlung eingestellt, wobei jeder dieser Teilbereiche die gitterspezifische Bragg- Wellenlänge je eines der Bragg-Gitter allein enthält. Ist dieses Filter auf einen solchen Teilbereich eingestellt, gibt es optische Strahlung ab, das nur diesen Teilbereich enthält. Zur zeitsequentiellen Einstellung der Teilbereiche wird das Filter mit einem stufenförmig monoton sich ändernden Signal eines Stufensignalgenerators angesteuert.The wavelength range of the broadband radiation is set, each of these subregions containing the grating-specific Bragg wavelength each of one of the Bragg gratings alone. If this filter is set to such a partial area, it emits optical radiation which contains only this partial area. For the time sequential setting of the subareas, the Filter driven with a step-wise monotonically changing signal of a step signal generator.
Der abstimmbare interferometrische Wellenlängenabtaster er- zeugt aus jeder vom Fabry-Perot-Filter auf einen schmalerbandigen Wellenlängenteilbereich eingestellten Strahlung eine schmalbandige Strahlung, die bei einer bestimmten Wellenlänge liegt. Der Wellenlängenabtaster wird bei jedem Teilbereich so gesteuert, daß sich die bestimmte Wellenlänge in diesem Teil- bereich zeitlich ändert und diesen Teilbereich durchfährt. Dazu wird der Wellenlängenabtaster mit einem Signal eines Rampengenerators angesteuert, das sich in jedem eingestellten Teilbereich stetig monoton zeitlich ändert.The tunable interferometric wavelength scanner generates from each radiation set by the Fabry-Perot filter on a narrow-band wavelength sub-region a narrow-band radiation which is at a specific wavelength. The wavelength scanner is controlled in each sub-area so that the specific wavelength changes in time in this sub-area and passes through this sub-area. For this purpose, the wavelength scanner is activated with a signal from a ramp generator, which changes monotonically over time in each set sub-area.
Da die schmalerbandigen Wellenlängenteilbereiche zeitlich aufeinanderfolgend eingestellt und die bestimmte Wellenlänge beim Durchfahren jedes dieser Teilbereiche einmal auf die in diesem Teilbereich enthaltene gitterspezifische Bragg- Wellenlänge des jeweiligen Bragg-Gitters trifft, liegt auch hier eine bestimmte Wellenlänge zu verschiedenen Zeitpunkten bei der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge jedes Bragg- Gitters und bildet so die gewünschte zeitlich variierte bestimmte Wellenlänge, die in die optische Faser eingekoppelt und in der Faser übertragen wirdSince the narrow-band wavelength sub-ranges are set one after the other in time and the specific wavelength when passing through each of these sub-ranges meets the grating-specific Bragg wavelength contained in this sub-range once again, a specific wavelength is at different times at the grating-specific Bragg wavelength each Bragg grating and thus forms the desired time-varying wavelength that is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber
Eine Empfängereinrichtung empfängt die bei der Übertragung der eingekoppelten zeitlich variierten bestimmten Wellenlänge in der Faser erzeugte zeitlichen Folge der von den Bragg- Gittern reflektierten gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen und detektiert diese. Da die gitterspezifische Bragg- Wellenlänge jedes Bragg-Gitters mit einer Änderung der auf das Gitter einwirkenden physikalischen Größe variiert, ist die detektierte reflektierte Bragg-Wellenlänge jedes Gitters ein Maß für den tatsächlichen Wert der physikalischen Größe am Ort dieses Gitters. Die Empfängereinrichtung kann einen breitbandigen optischen Eingang aufweisen, dessen Bandbreite die gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen aller Bragg-Gitter umfaßt. Ein solcher breitbandiger Eingang kann beispielsweise durch eine Photo- diode realisiert sein. DieA receiver device receives and detects the temporal sequence of the grating-specific Bragg wavelengths reflected by the Bragg gratings, which is generated in the fiber during the transmission of the coupled, time-varying, determined wavelength. Since the grating-specific Bragg wavelength of each Bragg grating varies with a change in the physical size acting on the grating, the detected reflected Bragg wavelength of each grating is a measure of the actual value of the physical size at the location of this grating. The receiver device can have a broadband optical input, the bandwidth of which comprises the grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings. Such a broadband input can be implemented, for example, by a photo diode. The
Eine andere spezielle Realisierung einer bekannten Ausführungsform weist eine optische Strahlungsquelle zur Erzeugung einer breitbandigen optischen Strahlung mit einem Wellenlän- genbereich auf, der die gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen sämtlicher Bragg-Gitter in wenigstens einer optischen Faser gleichzeitig enthält.Another special implementation of a known embodiment has an optical radiation source for generating a broadband optical radiation with a wavelength range which contains the grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings in at least one optical fiber at the same time.
Diese breitbandige Strahlung wird in die optische Faser ein- gekoppelt und in der Faser übertragen. Da diese übertragene Strahlung die gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen sämtlicher Bragg-Gitter gleichzeitig enthält, entsteht eine optische Strahlung, welche die an sämtlichen Bragg-Gittern der Faser reflektierten gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen im wesentlichen gleichzeitig enthält, im Unterschied zu der einen speziellen Realisierung der besonderen Ausführungsform.This broadband radiation is coupled into the optical fiber and transmitted in the fiber. Since this transmitted radiation contains the grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings at the same time, an optical radiation arises which contains the grating-specific Bragg wavelengths reflected on all Bragg gratings of the fiber essentially simultaneously, in contrast to the one specific implementation of the particular embodiment .
Auch bei dieser anderen Realisierung einer bekannten Ausführungsform empfängt eine Empfängereinrichtung alle reflektier- ten gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen und detektiert sie. Da auch hier die gitterspezifische Bragg-Wellenlänge jedes Bragg-Gitters mit einer Änderung der auf das Gitter einwirkenden physikalischen Größe variiert, ist die detektierte reflektierte Bragg-Wellenlänge jedes Gitters ein Maß für den tatsächlichen Wert der physikalischen Größe am Ort dieses Gitters.In this other implementation of a known embodiment, too, a receiver device receives all the detected grating-specific Bragg wavelengths and detects them. Since the grating-specific Bragg wavelength of each Bragg grating also varies with a change in the physical size acting on the grating, the detected reflected Bragg wavelength of each grating is a measure of the actual value of the physical size at the location of this grating.
Diese Empfängereinrichtung muß in der Lage sein, die gleichzeitig empfangenen reflektierten gitterspezifischen Bragg- Wellenlängen voneinander zu trennen und benötigt aus diesem Grund einen schmalbandigen optischen Eingang, der jeweils nur eine Wellenlänge erfaßt. Beispielsweise kann diese Empfänge- reinrichtung ein Spektrometer aufweisen, das die gleichzeitig vorliegenden reflektierten gitterspezifischen Bragg- Wellenlängen zeitlich nacheinander abtastet.This receiver device must be able to separate the simultaneously received reflected grating-specific Bragg wavelengths from one another and therefore requires a narrow-band optical input which only detects one wavelength at a time. For example, this device have a spectrometer that scans the simultaneously present reflected grating-specific Bragg wavelengths one after the other.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bragg-Gitter- Sensoranordnung zur Abtastung zumindest einer bestimmten physikalischen Größe anzugeben, die wenigstens einen optischen Übertragungsweg zur Übertragung optischer Strahlung und zumindest zwei im Übertragungsweg nacheinander angeordnete op- tischen Bragg-Gitter mit voneinander verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen aufweist und die insbesondere bei Verwendung zweier oder mehrerer solcher optischer Übertragungswege besonders kostengünstig zu realisieren ist.The invention is based on the object of specifying a Bragg grating sensor arrangement for scanning at least one specific physical variable, which has at least one optical transmission path for transmitting optical radiation and at least two optical Bragg gratings arranged one after the other in the transmission path and having different grating-specific Bragg gratings. Has wavelengths and which is particularly inexpensive to implement especially when using two or more such optical transmission paths.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in claim 1.
Die Bragg-Gitter-Sensoranordnung gemäß dieser Lösung umfaßt als ein erfindungswesentliches Merkmal eine optische Strah- lungsquelle zur Erzeugung einer optischen Strahlung, die für jedes Bragg-Gitter je eine diesem Gitter allein zugeordnete bestimmte optische Wellenlänge, die zumindest nahe bei der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge dieses Gitters liegt und innerhalb eines nur diesem Gitter zugeordneten Wellenlängen- bereichs individuell zeitlich variiert ist, aufweist, und zur gleichzeitigen Einkopplung aller dieser zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen in den Übertragungsweg zur gleichzeitigen Übertragung auf diesem Weg.As a feature essential to the invention, the Bragg grating sensor arrangement according to this solution comprises an optical radiation source for generating optical radiation, the specific optical wavelength for each Bragg grating that is assigned to this grating alone, at least close to the grating-specific Bragg wavelength this grating lies and has an individual variation in time within a wavelength range assigned only to this grating, and for the simultaneous coupling of all these time-varying specific wavelengths into the transmission path for simultaneous transmission in this way.
Diese Strahlungsquelle ist ähnlich wie die vorstehend beschriebenen bekannten Strahlungsquellen, bei denen die verschiedenen zeitlich variierten bestimmten optischen Wellenlängen nicht gleichzeitig, sondern zeitlich nacheinander in den Übertragungsweg zur Übertragung auf diesem Weg eingekop- pelt werden, eine abstimmbare Strahlungsquelle, sie ist jedoch anders aufgebaut und betrieben wie diese bekannten Strahlungsquellen. Insbesondere hat diese Strahlungsquelle der erfindungsgemäßen Sensoranordnung den Vorteil, daß jede bestimmte optische Wellenlänge, die in der von dieser Quelle erzeugten Strahlung enthalten ist und je einem der Bragg-Gitter allein zugeordnet ist, jeweils während ihrer zeitlichen Variation nur einen schmalen Wellenlängenbereich durchlaufen muß, der relativ zu einem alle diese bestimmten Wellenlängen gleichzeitig enthaltenden großen Wellenlängenbereich klein ist und jeweils nur die gitterspezifische Bragg-Wellenlänge des Bragg-Gitters enthalten muß, dem diese bestimmte Wellenlänge allein zugeordnet ist.This radiation source is similar to the known radiation sources described above, in which the different temporally varied specific optical wavelengths are coupled into the transmission path for transmission in this way not at the same time, but successively in time, a tunable radiation source, but it is constructed and operated differently like these well-known radiation sources. In particular, this radiation source of the sensor arrangement according to the invention has the advantage that each particular optical wavelength that is contained in the radiation generated by this source and each is assigned to one of the Bragg gratings only has to pass through a narrow wavelength range during its variation over time, which is small relative to a large wavelength range containing all of these specific wavelengths and only has to contain the grating-specific Bragg wavelength of the Bragg grating to which this specific wavelength is assigned alone.
Demnach erübrigt sich bei dieser Strahlungsquelle vorteilhaf- terweise ein Wellenlängenabtaster oder Fabry-Perot-Filter mit einem großen Durchstimmbereich, der sich über einen alle gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen sämtlicher Bragg-Gitter enthaltenden großen Wellenlängenbereich erstreckt.Accordingly, this radiation source advantageously eliminates the need for a wavelength scanner or Fabry-Perot filter with a large tuning range, which extends over a large wavelength range containing all grating-specific Bragg wavelengths of all Bragg gratings.
Die Strahlungsquelle benötigt vorteilhafterweise lediglich eine optische Quelle, die alle jeweils einem Bragg-Gitter zugeordneten bestimmten optischen Wellenlängen gleichzeitig erzeugt, und eine dieser Quelle nachgeordnete Einrichtung zum zeitlichen Variieren jeder dieser Wellenlängen in jeweils ei- ne schmalen Wellenlängenbereich. Die optische Quelle kann vorteilhafterweise aus einer billigen herkömmlichen breitbandigen Quelle bestehen und die Einrichtung zum Variieren pro zu variierender bestimmter Wellenlänge je einen abstimmbaren Wellenlängenabtaster aufweisen, der nur in dem jeweiligen schmalen Wellenlängenbereich abzustimmen ist und aus diesem Grunde keine hohen Anforderungen bezüglich der Abstimmbarkeit stellt und billig sein kann. Beispielsweise kann der jeweilige abstimmbare Wellenlängenabtaster ein vom Signal eines Rampengenerators gesteuerter interferometrischer Wellenlängenab- taster sein, wie er aus dem eingangs erwähnten Dokument bekannt ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung weist die optische Strahlungsquelle eine breitbandige Quelle zur Erzeugung einer optischen Strahlung mit einer kontinuierlichen Bandbreite, in der alle von der Strahlungsquelle zu erzeugenden und individulell zeitlich zu variierenden bestimmten optischen Wellenlängen enthalten sind, und pro zu erzeugender bestimmter Wellenlänge je ein individuell abstimmbares Bragg-Gitter mit einer diese bestimmte Wellenlänge definierenden gitterspezifischen Bragg- Wellenlänge auf, wobei die breitbandige Strahlung allen diesen Bragg-Gittern gleichzeitig zugeführt ist und alle Gitter ihre gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen reflektieren und im wesentlichen gleichzeitig als die von der Strahlungsquelle zu erzeugenden bestimmten Wellenlängen abgeben. Jedes dieser abstimmbaren Bragg-Gitter kann durch je einen Piezoaktor abgestimmt werden.The radiation source advantageously only requires an optical source which generates all the specific optical wavelengths assigned to a Bragg grating at the same time, and a device downstream of this source for varying each of these wavelengths in time in a narrow wavelength range. The optical source can advantageously consist of an inexpensive conventional broadband source and the device for varying each specific wavelength to be varied can have a tunable wavelength scanner, which can only be tuned in the respective narrow wavelength range and therefore does not make high demands with regard to tunability and is inexpensive can be. For example, the respective tunable wavelength scanner can be an interferometric wavelength scanner controlled by the signal of a ramp generator, as is known from the document mentioned at the beginning. In a particularly advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the optical radiation source has a broadband source for generating an optical radiation with a continuous bandwidth, in which all the specific optical wavelengths to be generated and individually varied in time are contained, and for each specific wavelength to be generated each have an individually tunable Bragg grating with a grating-specific Bragg wavelength that defines this specific wavelength, the broadband radiation being supplied to all these Bragg gratings at the same time and all gratings reflecting their grating-specific Bragg wavelengths and essentially simultaneously as being from the radiation source generate certain wavelengths. Each of these tunable Bragg gratings can be tuned using a piezo actuator.
Aufgrund der gleichzeitigen Einkopplung und Übertragung der verschiedenen zeitlich variierten bestimmten optischen Wel- lenlängen bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden alle gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen ebenfalls im wesentlichen gleichzeitig an den jeweiligen Bragg-Gittern reflektiert. Demgemäß umfaßt diese Anordnung eine Empfängereinrichtung zum Empfang und Detektieren aller gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen, die bei der gleichzeitigen Übertragung sämtlicher zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen auf dem Übertragungsweg von den Bragg-Gittern im wesentlichen gleichzeitig reflektiert werden. "Im wesentlichen" bedeutet, daß optische Laufzeitunterschiede und die zeitliche Variation jeder einem Gitter allein zugeordneten bestimmten optische Wellenlänge in dem nur diesem Gitter zugeordneten Wellenlängenbereich zu vernachlässigen sind.Due to the simultaneous coupling and transmission of the different temporally varied specific optical wavelengths in the sensor arrangement according to the invention, all grating-specific Bragg wavelengths are also essentially simultaneously reflected on the respective Bragg gratings. Accordingly, this arrangement comprises a receiver device for receiving and detecting all grating-specific Bragg wavelengths which are reflected at the same time by the Bragg gratings during the simultaneous transmission of all time-varying specific wavelengths on the transmission path. "Essentially" means that optical time differences and the temporal variation of each specific optical wavelength assigned to a grating alone are negligible in the wavelength range assigned only to this grating.
Die Empfängereinrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein Spektrometer mit schmalbandigem optischem Eingang aufweisen, das die gleichzeitig vorliegenden reflektierten gitter- spezifischen Bragg-Wellenlängen zeitlich nacheinander abtastet.The receiver device of the arrangement according to the invention can have a spectrometer with a narrow-band optical input that detects the reflected grating specific Bragg wavelengths sequentially sampled.
Ein besonderer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Sensoranord- nung ist im neuartigen Arbeitsprinzip der Strahlungsquelle dieser Anordnung zu sehen, nach welchem die bestimmten Wellenlängen, die in der von dieser Quelle erzeugten optischen Strahlung gleichzeitig enthaltenen sind, individuell zeitlich variiert werden. Diese individuelle Variation bietet die Mög- lichkeit, wenigstens zwei voneinander verschiedene bestimmte optische Wellenlängen in der von der Strahlungsquelle erzeugten und in den wenigstens einen optischen Übertragungsweg einzukoppelnden optischen Strahlung mit voneinander verschiedenen Frequenzen zeitlich zu variiereren.A particular advantage of the sensor arrangement according to the invention can be seen in the novel working principle of the radiation source of this arrangement, according to which the specific wavelengths which are simultaneously contained in the optical radiation generated by this source are individually varied in time. This individual variation offers the possibility of temporally varying at least two specific optical wavelengths different from one another in the optical radiation generated by the radiation source and to be coupled into the at least one optical transmission path, with frequencies different from one another.
Die von einem Bragg-Gitter reflektierte gitterspezifische Bragg-Wellenlänge erscheint vorteilhafterweise mit der Frequenz, mit der die diesem Gitter zugeordnete und in den optischen Übertragungsweg eingekoppelte bestimmte optische Wel- lenlänge innerhalb des betreffenden schmalen Wellenlängenbereichs zeitlich variiert wird. Werden zwei bestimmte Wellenlängen, die zwei verschiedenen Bragg-Gittern zugeordnet sind, mit voneinander verschiedenen Frequenzen variiert, so erscheinen auch die von diesen Gittern reflektierten gitterspe- zifischen Bragg-Wellenlängen mit voneinander verschiedenen Frequenzen und können so voneinander unterschieden werden.The grating-specific Bragg wavelength reflected by a Bragg grating advantageously appears at the frequency with which the specific optical wavelength assigned to this grating and coupled into the optical transmission path is varied over time within the relevant narrow wavelength range. If two specific wavelengths, which are assigned to two different Bragg gratings, are varied with mutually different frequencies, then the grating-specific Bragg wavelengths reflected by these gratings appear with mutually different frequencies and can thus be distinguished from one another.
Diese Unterscheidungsmöglichkeit hat den Vorteil, daß die Empfängereinrichtung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung einen breitbandigen optischen Eingang mit einer Bandbreite aufweisen kann, die alle mit verschiedenen Frequenzen in Erscheinung tretenden gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen umfaßt. Ein solcher breitbandiger Eingang kann vorteilhafterweise mit einem herkömmlichen Photodetektor realisiert und damit billig sein. Insbesondere bei einer Sensoranordnung mit zwei oder mehreren optischen Übertragungswegen ist dies von Vorteil, da für jeden Übertragungsweg nur jeweils ein billi- ger breitbandiger optischer Eingang und kein teures Spektrometer vorhanden sein muß.This possibility of differentiation has the advantage that the receiver device of the sensor arrangement according to the invention can have a broadband optical input with a bandwidth that includes all grating-specific Bragg wavelengths that appear with different frequencies. Such a broadband input can advantageously be realized with a conventional photodetector and can therefore be cheap. This is particularly advantageous in the case of a sensor arrangement with two or more optical transmission paths, since only one cheap ger broadband optical input and no expensive spectrometer must be available.
Um reflektierte gitterspezifische Bragg-Wellenlängen mit von- einander verschiedenen Frequenzen unterscheiden zu können, weist die Empfängereinrichtung Einrichtung zum frequenzmäßigen Trennen der reflektierten gitterspezifischen Bragg- Wellenlängen mit den voneinander verschiedenen Frequenzen auf, die mit herkömmlichen und billigen elektronischen Mit- teln realisiert werden kann.In order to be able to distinguish reflected grating-specific Bragg wavelengths with different frequencies from one another, the receiver device has means for frequency-separating the reflected grating-specific Bragg wavelengths with the different frequencies, which can be realized with conventional and inexpensive electronic means.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung liegt in der höheren Abtastrate im Vergleich zu den herkömmlichen Anordnungen, die eine abstimmbare optische Strahlungs- quelle zur Erzeugung bestimmte optische Wellenlängen, die zeitlich nacheinander in den optischen Ubertragungsweg eingekoppelt werden, aufweisen.A further advantage of the sensor arrangement according to the invention lies in the higher sampling rate compared to the conventional arrangements, which have a tunable optical radiation source for generating certain optical wavelengths which are successively coupled into the optical transmission path.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail in the following description using the figures as an example. Show it:
Figur 1 eine blockschaltbildhafte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung,FIG. 1 is a block diagram schematic representation of an embodiment of the arrangement according to the invention,
Figur 2 das Wellenlängenspektrum der von der optischen Strahlungsquelle des Beispiels nach Figur 1 erzeugten optischen Strahlung, und2 shows the wavelength spectrum of the optical radiation generated by the optical radiation source of the example according to FIG. 1, and
Figur 3 eine blockschaltbildhafte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Strahlungsquelle der erfindungsgemäßen Anordnung.Figure 3 is a block diagram schematic representation of an embodiment of an optical radiation source of the arrangement according to the invention.
Die beispielhafte Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Abtastung zumindest einer bestimmten physikalischen Größe X, weist M (M = 1, 2, 3 ...) optische Übertragungswege 1 zur jeweiligen Übertragung optischer Strahlung auf, deren jeder beispielsweise aus einer optischen Faser besteht.The exemplary Bragg grating sensor arrangement for scanning at least one specific physical variable X, M (M = 1, 2, 3 ...) has optical transmission paths 1 to the respective one Transmission of optical radiation, each of which consists for example of an optical fiber.
In jedem Übertragungsweg 1 sind jeweils N (N = 2, 3, ...) op- tische Bragg-Gitter 11, 12, ... IN mit voneinander verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen λl, λ2, ... bzw. λN nacheinander angeordnet.In each transmission path 1 there are N (N = 2, 3, ...) optical Bragg gratings 11, 12, ... IN with different grating-specific Bragg wavelengths λl, λ2, ... and λN, one after the other arranged.
Die gitterspezifische Bragg-Wellenlänge λl, λ2, ... bzw. λN jedes Gitters 11, 12, ... bzw. IN variiert in Abhängigkeit von einer Änderung ΔX der auf dieses Gitter 11, 12, ... bzw. IN einwirkenden physikalischen Größe X.The grating-specific Bragg wavelength λl, λ2, ... or λN of each grating 11, 12, ... or IN varies depending on a change ΔX in the physical effects acting on this grating 11, 12, ... or IN Size X.
Wenn die gitterspezifische Bragg-Wellenlänge λl, λ2, ... bzw. λN jedes Bragg-Gitters 11, 12, ... bzw. IN in der auf demIf the grating-specific Bragg wavelength λl, λ2, ... or λN of each Bragg grating 11, 12, ... or IN in the on the
Übertragungsweg 1 übertragenen Strahlung enthalten ist, wird diese Wellenlänge λl, λ2, ... bzw. λN von diesem Gitter 11, 12, ... bzw. IN allein reflektiert.Transmission path 1 transmitted radiation is included, this wavelength λl, λ2, ... or λN is reflected by this grating 11, 12, ... or IN alone.
Eine optische Strahlungsquelle 2 erzeugt eine optische Strahlung P mit einem in der Figur 2 dargestellten Wellenlängenspektrum, bei dem die Intensität I der Strahlung P über der Wellenlänge λ aufgetragen ist.An optical radiation source 2 generates an optical radiation P with a wavelength spectrum shown in FIG. 2, in which the intensity I of the radiation P is plotted over the wavelength λ.
Nach der Figur 2 weist die Strahlung P eine Anzahl N Spektrallinien gleichzeitig auf, deren jede bei einer anderen von N voneinander verschiedenen bestimmten optischen Wellenlängen λOi, λ02, ... λON liegt und durch je eine schmalbandige Intensitätskurve 100 repräsentiert ist.According to FIG. 2, the radiation P has a number N of spectral lines at the same time, each of which lies at a different optical wavelength λOi, λ02,... ΛON, which is different from N and is represented by a narrow-band intensity curve 100.
Jede der in der Strahlung P gleichzeitig vorhandenen N bestimmten Wellenlängen λOi, λ02, ... λON ist je einem Bragg- Gitter 11, 12, ... bzw. IN allein zugeordnet und liegt zumindest nahe bei der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge λl, λ, ... λN dieses Gitters 11, 12, ... bzw. IN und wird innerhalb eines nur diesem Gitter 11, 12, ... bzw. IN zugeordneten Wel- lenlängenbereichs ΔλOl, Δλ02, ... bzw. ΔλON individuell zeitlich variiert.Each of the N wavelengths λOi, λ02, ... λON present in the radiation P is assigned to a Bragg grating 11, 12, ... or IN alone and is at least close to the grating-specific Bragg wavelength λl, λ , ... λN of this grid 11, 12, ... or IN and is within a world assigned only to this grid 11, 12, ... or IN length range ΔλOl, Δλ02, ... or ΔλON varies individually over time.
Jeder Wellenlängenbereich ΔλOl, Δλ02, ... bzw. ΔλON ist so gewählt, daß er neben der jeweiligen bestimmten Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON die in Abhängigkeit von einer Änderung ΔX der physikalischen Größe X variierte gitterspezifische Bragg-Wellenlänge λl, λ, ... bzw. λN des jeweiligen Bragg- Gitters 11, 12, ... bzw. IN enthält, dem dieser Wellenlängen- bereich ΔλOl, Δλ02, ... bzw. ΔλON zugeordnet ist, so daß diese gitterspezifische Bragg-Wellenlänge λl, λ, ... bzw. λN von diesem Gitter 11, 12, ... bzw. IN reflektiert wird, wenn sie innerhalb dieses Wellenlängenbereichs ΔλOl, Δλ02, ... bzw. ΔλON variiert.Each wavelength range ΔλOl, Δλ02, , λ, ... or λN of the respective Bragg grating 11, 12, ... or IN, to which this wavelength range ΔλOl, Δλ02, ... or ΔλON is assigned, so that this grating-specific Bragg Wavelength λl, λ, ... or λN is reflected by this grating 11, 12, ... or IN if it varies within this wavelength range ΔλOl, Δλ02, ... or ΔλON.
Alle N verschiedenen bestimmten optischen Wellenlängen λOi, λ02, ... λON der Strahlung P werden mit voneinander verschiedenen Frequenzen ωl, ω2, ... ωN zeitlich variiert, so daß jede bestimmte Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON mit einer anderen Frequenz ωl, α>2, ... bzw. ωN individuell zeitlich variiert wird.All N different specific optical wavelengths λOi, λ02, ... λON of the radiation P are temporally varied with mutually different frequencies ωl, ω2, ... ωN, so that each specific wavelength λOi, λ02, ... or λON with a other frequency ωl, α> 2, ... or ωN is varied individually in time.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der optischen Strahlungsquelle 2 für die Sen- soranordnung nach Figur 1. Nach Figur 3 weist die Strahlungsquelle 2 eine breitbandige Quelle 22 zur Erzeugung einer optischen Strahlung PO mit einer kontinuierlichen Bandbreite ΔλO auf, in der alle von der Strahlungsquelle 2 zu erzeugenden und individulell zeitlich zu variierenden bestimmten op- tischen Wellenlängen λOi, λ02, ... λON enthalten sind. Überdies ist pro zu erzeugender bestimmter Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON je ein individuell abstimmbares Bragg-Gitter 221, 222, ... bzw. 22N mit einer diese bestimmte Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON definierenden gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge vorhanden. Die breitbandige Strahlung PO der Quelle 22 ist allen diesen Bragg-Gittern 221, 222, ... 22N gleichzeitig zugeführt und alle Gitter 221, 222, ... 22N reflektieren ihre gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen und geben diese gleichzeitig als die von der Strahlungsquelle 2 zu erzeugenden bestimmten Wellenlängen λOi, λ02, ... λON ab.FIG. 3 shows an example of a particularly advantageous embodiment of the optical radiation source 2 for the sensor arrangement according to FIG. 1. According to FIG. 3, the radiation source 2 has a broadband source 22 for generating an optical radiation PO with a continuous bandwidth ΔλO, in which all of of the radiation source 2 to be generated and individually varied in time with certain optical wavelengths λOi, λ02, ... λON. In addition, for each specific wavelength λOi, λ02, ... or λON to be generated, there is an individually tunable Bragg grating 221, 222, ... or 22N with a wavelength λOi, λ02, ... or λON that defines this specific wavelength grating-specific Bragg wavelength available. The broadband radiation PO from the source 22 is supplied to all of these Bragg gratings 221, 222, ... 22N at the same time and all gratings 221, 222, ... 22N reflect their grating-specific Bragg wavelengths and simultaneously output them as the specific wavelengths λOi, λ02, ... λON to be generated by the radiation source 2.
Die von einem solchen abstimmbaren Bragg-Gitter 221, 222, ... bzw. 22N erzeugte bestimmte optische Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON kann durch Abstimmen dieses Gitters 221, 222, ... bzw. 22N zeitlich variiert werden.The specific optical wavelength λOi, λ02, ... or λON generated by such a tunable Bragg grating 221, 222, ... or 22N can be varied in time by tuning this grating 221, 222, ... or 22N .
Jedes abstimmbare Bragg-Gitter 221, 222, ... bzw. 22N kann durch je einen Piezoaktor 231, 232, ... 23N abgestimmt werden, der von je einem elektrischen Steuersignal UI, U2, ... UN, beispielsweise jeweils eine elektrische Spannung, gesteuert werden kann. Schwankt ein Steuersignal UI, U2, ... bzw. UN mit einer Frequenz ωl, ω2, ... bzw. ωN, wird die von dem zu diesem Signal UI, U2, ... bzw. UN gehörenden abstimmbaren Bragg-Gitter 221, 222, ... bzw. 22N erzeugte bestimmte optische Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON mit dieser Frequenz ωl, ω2, ... bzw. ωN zeitlich variiert.Each tunable Bragg grating 221, 222, ... or 22N can be tuned by a piezo actuator 231, 232, ... 23N, each of which has an electrical control signal UI, U2, ... UN, for example an electrical one Voltage, can be controlled. If a control signal UI, U2, ... or UN fluctuates at a frequency ωl, ω2, ... or ωN, the Bragg grating 221 that can be tuned by the signal UI, U2, ... or UN belonging to this signal , 222, ... or 22N generated certain optical wavelength λOi, λ02, ... or λON with this frequency ωl, ω2, ... or ωN varies with time.
Die von einem abstimmbare Bragg-Gitter 221, 222, ... bzw. 22N erzeugte und in Richtung zur breitbandigen Quelle 22 zurückreflektierte bestimmte optische Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON kann aus dem Strahlengang der von dieser Quelle 22 erzeugten zugeführten Strahlung PO mittels eines optischenThe specific optical wavelength λOi, λ02, ... or λON generated by a tunable Bragg grating 221, 222,... Or 22N and reflected back in the direction of the broadband source 22 can be fed from the beam path to the one generated by this source 22 Radiation PO using an optical
Kopplers 201, 202, ... bzw. 20N ausgekoppelt werden, der vorteilhafterweise ein einfacher 2 x 2-Koppler sein kann.Coupler 201, 202, ... or 20N are coupled out, which can advantageously be a simple 2 x 2 coupler.
Beispielsweise ist jedes breitbandigen Quelle 22 in je einer optischen Faser 220 ausgebildet, in welche ein Strahlungsanteil der von der breitbandigen Quelle 22 erzeugten Strahlung PO eingekoppelt wird, der in dieser Faser 220 diesem Gitter 221, 222, ... bzw. 22N zugeführt ist, und die von diesem Gitter 221, 222, ... bzw. 22N erzeugte bestimmte Wellenlänge λOi, λ02, ... bzw. λON wird von einem in dieser Faser 220 angeordneten Koppler 201, 202, ... 20N aus der Faser 220 ausgekoppelt. Unabhängig vom speziellen Aufbau der Strahlungsquelle 2 der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden die von dieser Quelle 2 erzeugten zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen λOi, λ02, ... λON gleichzeitig in jeden Ubertragungsweg 1 zur gleichzeitigen Übertragung auf diesem Weg 1 eingekoppelt.For example, each broadband source 22 is formed in an optical fiber 220, into which a radiation component of the radiation PO generated by the broadband source 22 is coupled, which is fed in this fiber 220 to this grating 221, 222,... Or 22N, and the specific wavelength λOi, λ02, ... or λON generated by this grating 221, 222, ... or 22N is coupled out of the fiber 220 by a coupler 201, 202, ... 20N arranged in this fiber 220 . Regardless of the special structure of the radiation source 2 of the sensor arrangement according to the invention, the time-varying specific wavelengths λOi, λ02,... ΛON generated by this source 2 are simultaneously coupled into each transmission path 1 for simultaneous transmission on this path 1.
Sind beispielsweise und wie in der Figur 1 dargestellt M > 1 Übertragungswege 1 vorhanden, erfolgt die Einkopplung durch einen optischen Leistungsteiler 20, der als Bestandteil derIf, for example and as shown in FIG. 1, M> 1 transmission paths 1 are present, the coupling takes place through an optical power divider 20, which is part of the
Strahlungsquelle 2 angesehen werden kann, dem die Strahlung P zugeführt ist und der diese Strahlung P in M Strahlungsanteile Pl, P2, ... PM aufteilt. Jeder Strahlungsanteil Pl, P2, ... bzw. PM enthält jeweils sämtliche individuell zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen λOi, λ02, ... λON gleichzeitig und wird in je einen und nur diesen der M Übertragungswege 1 eingekoppelt. Beispielsweise wird die Strahlung P in M gleiche Strahlungsanteile Pl, P2, ... PM mit der jeweiligen Intensität I/M aufgeteilt.Radiation source 2 can be viewed, to which the radiation P is supplied and which divides this radiation P into M radiation components Pl, P2,... PM. Each radiation component P1, P2,... Or PM contains all of the individual wavelengths λOi, λ02,... ΛON, which are individually varied in time, and is coupled into one and only this one of the M transmission paths 1. For example, the radiation P is divided into M equal radiation components Pl, P2, ... PM with the respective intensity I / M.
Die von den Bragg-Gittern 11, 12, ...IN eines Übertragungsweges 1 reflektierten gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen λl, λ, ... λN werden auf diesem Weg 1 in Richtung zur Strahlungsquelle 2 zurückgeführt und treffen auf einen in diesem Weg 1 angeordneten optischen Koppler 10 zum Auskoppeln dieser Wellenlängen λl, λ, ... λN aus diesem Weg 1 und im wesentlichen gleichzeitigen Zuführen dieser Wellenlängen λl, λ2, ... λN einem optischen Eingang 30 einer Empfängereinrichtung 3 zum Empfang und Detektieren aller dieser Wellenlängen λl, λ2, ... λN. Ein optischer Koppler 10 kann z.B. auf einfache Weise durch einen 2 x 2-Koppler realisiert sein.The grating-specific Bragg wavelengths λl, λ, ... λN reflected by the Bragg gratings 11, 12, ... IN of a transmission path 1 are returned in this way 1 in the direction of the radiation source 2 and meet one arranged in this path 1 optical coupler 10 for decoupling these wavelengths λl, λ, ... λN from this path 1 and essentially simultaneously feeding these wavelengths λl, λ2, ... λN to an optical input 30 of a receiver device 3 for receiving and detecting all of these wavelengths λl, λ2, ... λN. An optical coupler 10 can e.g. can be easily realized by a 2 x 2 coupler.
Bei mehreren vorhandenen Übertragungswegen 1 ist in jedem dieser Wege je ein optischer Koppler 10 angeordnet, dem je ein optischer Eingang 30 der Empfängereinrichtung 3 zugeordnet ist, dem die in diesem Weg 1 reflektierten und von diesem Koppler 10 ausgekoppelten gitterspezifischen Bragg- Wellenlängen λl, λ2, ... λN im wesentlichen gleichzeitig zugeführt sind.If there are several transmission paths 1, an optical coupler 10 is arranged in each of these paths, to which an optical input 30 of the receiver device 3 is assigned, to which the grating-specific Bragg reflected in this path 1 and decoupled by this coupler 10 is assigned. Wavelengths λl, λ2, ... λN are supplied essentially simultaneously.
Sind mehrere Übertragungswege 1 vorhanden, kann die Zahl N der Bragg-Gitter 11, 12, ... IN in einem Übertragungsweg 1 bei verschiedenen Wegen 1 gleich oder verschieden sein. Ebenso können gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen λl, λ2, ... λN für verschiedene Wege gleich oder unterschiedlich sein.If there are several transmission paths 1, the number N of Bragg gratings 11, 12,... IN in a transmission path 1 can be the same or different for different paths 1. Likewise, grating-specific Bragg wavelengths λl, λ2, ... λN can be the same or different for different paths.
Die Empfängereinrichtung 3 ist so ausgebildet, daß sie die von jedem optischen Eingang 30 im wesentlichen gleichzeitig empfangenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen λl, λ2, ... λN detektiert, die bei der gleichzeitigen Übertragung sämtlicher zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen λOi, λ02, ... λON auf dem betreffenden Übertragungsweg 1 von den Bragg- Gittern 11, 12, ... IN dieses Wegs 1 im wesentlichen gleichzeitig reflektiert werden.The receiver device 3 is designed in such a way that it detects the grating-specific Bragg wavelengths λl, λ2,. λON on the relevant transmission path 1 are reflected by the Bragg gratings 11, 12, ... IN this path 1 essentially simultaneously.
Dazu weist die Empfängereinrichtung 3 eine Einrichtung 31 auf in der die reflektierten gitterspezifischen Bragg- Wellenlängen λl, λ2, ... λN frequenzmäßig getrennt werden, deren jede mit je einer anderen Frequenz ωl, ω2, ... bzw. ωN in Erscheinung tritt und durch diese Frequenz ωl, ω2, ... bzw. ωN eindeutig codiert ist. Die frequenzmäßige Trennung dieser codierten Wellenlängen λl, λ2, ... λN kann mit herkömmlichen Mitteln, beispielsweise mit Frequenzfiltern erfolgen.For this purpose, the receiver device 3 has a device 31 in which the reflected grating-specific Bragg wavelengths λl, λ2, ... λN are separated in terms of frequency, each of which occurs with a different frequency ωl, ω2, ... or ωN and is uniquely coded by this frequency ωl, ω2, ... or ωN. The frequency-related separation of these coded wavelengths λl, λ2, ... λN can be done with conventional means, for example with frequency filters.
Jede der getrennten codierten Wellenlängen λl, λ2, ... λN kann auf herkömmliche Weise einzeln phasendetektiert werden und dadurch der Wert der bestimmten physikalischen Größe X am Ort des Bragg-Gitters festgestellt werden, dem diese codierte Wellenlänge zugeordnet ist. Durch Vergleich dieses Werts der bestimmten physikalischen Größe X mit einem konstanten Refe- renzwert dieser Größe X kann eine Änderung ΔX dieser Größe X am Ort dieses Gitters festgestellt werden. Eine Einrichtung zur einzelnen Phasendetektion kann beispielsweise ein N- Kanal-Phasendetektor sein, der z.B. Bestandteil der- Einrichtung 31 ist, in der auch die codierten frequenzmäßig Wellenlängen λl, λ2, ... λN getrennt werden.Each of the separate coded wavelengths λl, λ2, ... λN can be individually phase-detected in a conventional manner and the value of the specific physical quantity X can be determined at the location of the Bragg grating to which this coded wavelength is assigned. By comparing this value of the determined physical quantity X with a constant reference value of this quantity X, a change ΔX of this quantity X can be determined at the location of this grid. A device for individual phase detection can, for example, an N- Be channel phase detector, which is part of the device 31, for example, in which the coded frequency wavelengths λl, λ2, ... λN are separated.
Zur Festlegung eines Referenzwerts kann ein Steuersignal der optischen Strahlungsquelle 2 oder ein optischer Übertragungsweg mit zwei oder mehreren Bragg-Gittern unterschiedlicher gitterspezifischer Bragg-Wellenlängen, beispielsweise einer oder mehrere der M Ubertragungswege 1 in Figur 1.To establish a reference value, a control signal from the optical radiation source 2 or an optical transmission path with two or more Bragg gratings of different grating-specific Bragg wavelengths, for example one or more of the M transmission paths 1 in FIG. 1, can be used.
Ein Steuersignal zur Festlegung eines Referenzwerts der optischen Strahlungsquelle 2 kann beispielsweise ein N-Kanal- Phasenreferenzsignal 300 sein, das z.B. vom N-Kanal- Phasendetektor in der Einrichtung 31 abgegeben und beispiels- weise einer Steuereinrichtung 21 zur Steuerung der optischen Strahlungsquelle 2 zugeführt wird.A control signal for establishing a reference value of the optical radiation source 2 can, for example, be an N-channel phase reference signal 300, which e.g. emitted by the N-channel phase detector in the device 31 and, for example, fed to a control device 21 for controlling the optical radiation source 2.
Bei Verwendung der Sensoranordnung zur Temperaturmessung kann sich ein zur Festlegung eines Referenzwerts verwendeter opti- scher Übertragungsweg mit Bragg-Gittern bei der Strahlungsquelle im Temperaturgleichgewicht befinden. Bei Zugspannungsoder Dehnungsmessungen kann sich beispielsweise pro optischem Übertragungsweg mit Bragg-Gittern der Sensoranordnung je ein zu diesem Weg paralleler optischer Übertragungsweg mit Bragg- Gittern befinden, der zur Festlegung eines Referenzwerts verwendet ist und mechanisch nicht beansprucht wird. Dies ermöglicht eine Entkopplung von Dehnung und Temperatur und das De- tektieren einer durch Dehnung erzeugten Verschiebung einer gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge .When using the sensor arrangement for temperature measurement, an optical transmission path with Bragg gratings used to determine a reference value can be in temperature equilibrium with the radiation source. In tension or elongation measurements, for example, there can be one optical transmission path with Bragg gratings parallel to this path per optical transmission path with Bragg gratings of the sensor arrangement, which is used to establish a reference value and is not mechanically stressed. This enables a decoupling of strain and temperature and the detection of a shift of a grating-specific Bragg wavelength generated by strain.
Jeder optische Eingang 30 kann vorteilhafterweise ein breit- bandiger Eingang mit einer Bandbreite sein, welche alle mit den voneinander verschiedenen Frequenzen ωl, ω2, ... ωN in Erscheinung tretenden reflektierten gitterspezifischen Bragg- Wellenlängen λl, λ2, ... λN umfaßt. Ein solcher breitbandiger Eingang 30 kann aus einem Photodetektor, beispielsweise einer Fotodiode bestehen. Each optical input 30 can advantageously be a broadband input with a bandwidth which comprises all of the reflected grating-specific Bragg wavelengths λl, λ2, ... λN that appear with the mutually different frequencies ωl, ω2, ... ωN. Such a broadband input 30 can consist of a photodetector, for example a photodiode.

Claims

Patentansprüche claims
1. Bragg-Gitter-Sensoranordnung zur Abtastung zumindest einer bestimmten physikalischen Größe (X) , mit - wenigstens einem optischen Übertragungsweg (1) zur Übertragung optischer Strahlung (P)1. Bragg grating sensor arrangement for scanning at least one specific physical variable (X), with - at least one optical transmission path (1) for transmitting optical radiation (P)
- zumindest zwei im Übertragungsweg (1) nacheinander angeordneten optischen Bragg-Gittern (11, 12, ... IN) mit voneinander verschiedenen gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen (λl, λ2, ... bzw. λN) , wobei die gitterspezifische Bragg- Wellenlänge (λl, λ2, ... bzw. λN) jedes Gitters (11, 12, ... bzw. IN) in Abhängigkeit von einer Änderung (ΔX) der auf dieses Gitter (11, 12, ... bzw. IN) einwirkenden physikalischen Größe (X) variiert, und, wenn sie in der auf dem Übertra- gungsweg (1) übertragenen Strahlung (P) enthalten ist, von diesem Gitter (11, 12, ... bzw. IN) allein reflektiert wird,- At least two optical Bragg gratings (11, 12, ... IN) arranged one after the other in the transmission path (1) with mutually different grating-specific Bragg wavelengths (λl, λ2, ... or λN), the grating-specific Bragg wavelength (λl, λ2, ... or λN) of each grid (11, 12, ... or IN) as a function of a change (ΔX) in the grid (11, 12, ... or IN) acting physical quantity (X) varies, and, if it is contained in the radiation (P) transmitted on the transmission path (1), is only reflected by this grating (11, 12, ... or IN),
- einer optischen Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung einer optischen Strahlung (P) , die für jedes Bragg-Gitter (11, 12, ... bzw. IN) je eine diesem Gitter (11, 12, ... bzw. IN) al- lein zugeordnete bestimmte optische Wellenlänge (λOl, λ02,- An optical radiation source (2) for generating an optical radiation (P), each of these gratings (11, 12, ... or IN) for each Bragg grating (11, 12, ... or IN) assigned optical wavelength (λOl, λ02,
... bzw. λON) , die zumindest nahe bei der gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge (λl, λ, ... λN) dieses Gitters (11, 12, ... bzw. IN) liegt und innerhalb eines nur diesem Gitter (11, 12, ... bzw. IN) zugeordneten Wellenlängenbereichs (ΔλOl, Δλ02, ... bzw. ΔλON) individuell zeitlich variiert ist, aufweist, und zur gleichzeitigen Einkopplung aller dieser zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen (λOl, λ02, ... λON) in den Übertragungsweg (1) zur gleichzeitigen Übertragung auf diesem Weg (1) ,und - einer Empfängereinrichtung (3) zum Empfang und Detektieren aller Bragg-Wellenlängen (λl, λ2, ... λN) , die bei der gleichzeitigen Übertragung sämtlicher zeitlich variierten bestimmten Wellenlängen (λOl, λ02, ... λON) auf dem Übertragungsweg (1) von den Bragg-Gittern (11, 12, ... IN) im we- sentlichen gleichzeitig reflektiert werden. ... or λON), which is at least close to the grating-specific Bragg wavelength (λl, λ, ... λN) of this grating (11, 12, ... or IN) and within only one grating (11 , 12, ... or IN) assigned wavelength range (ΔλOl, Δλ02, ... or ΔλON) is individually varied in time, and for the simultaneous coupling of all these wavelengths which are varied in time (λOl, λ02, ... λON ) in the transmission path (1) for simultaneous transmission in this way (1), and - a receiver device (3) for receiving and detecting all Bragg wavelengths (λl, λ2, ... λN), which in the simultaneous transmission of all temporally varied certain wavelengths (λOl, λ02, ... λON) on the transmission path (1) are reflected essentially simultaneously by the Bragg gratings (11, 12, ... IN).
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die optische Strahlungsquelle (2) eine breitbandige Quelle (22) zur Erzeugung einer optischen Strahlung (PO) mit einer kontinuierlichen Bandbreite (ΔλO), in der alle von der Strahlungsquelle (2) zu erzeugenden und individulell zeitlich zu variierenden bestimmten optischen Wellenlängen (λOl, λ02, ... λON) enthalten sind, und pro zu erzeugender bestimmter Wellenlänge (λOl, λ02, ... bzw. λON) je ein individuell verstimmbares Bragg- Gitter (221, 222, ... bzw. 22N) mit einer diese bestimmte Wellenlänge (λOl, λ02, ... bzw. λON) definierenden gitterspezifischen Bragg-Wellenlänge auf, wobei die breitbandige Strahlung (PO) allen diesen Bragg-Gittern (221, 222, ... 22N) gleichzeitig zugeführt ist und alle diese Gitter (221, 222, ... 22N) ihre gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen reflek- tieren und im wesetlichen gleichzeitig als die von der Strah- lungsquelle (2) zu erzeugenden bestimmten Wellenlängen (λOl, λ02, ... λON) abgeben.2. Sensor arrangement according to claim 1, wherein the optical radiation source (2) is a broadband source (22) for generating an optical radiation (PO) with a continuous bandwidth (ΔλO) in which all of the radiation source (2) to be generated and individually in time for varying specific optical wavelengths (λOl, λ02, ... λON) are contained, and for each specific wavelength to be generated (λOl, λ02, ... or λON) one individually tunable Bragg grating (221, 222, .. . or 22N) with a grating-specific Bragg wavelength defining this specific wavelength (λOl, λ02, ... or λON), the broadband radiation (PO) for all these Bragg gratings (221, 222, ... 22N ) is supplied simultaneously and all of these gratings (221, 222, ... 22N) reflect their grating-specific Bragg wavelengths and, in essence, at the same time as the specific wavelengths (λOl, λ02,...) to be generated by the radiation source (2). .. λON).
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens zwei voneinander verschiedene bestimmte optische Wellenlängen3. Sensor arrangement according to claim 1 or 2, wherein at least two different optical wavelengths different from each other
(λOl, λ02, ... λON) in der von der Strahlungsquelle (2) erzeugten und in den wenigstens einen optischen Übertragungsweg (1) einzukoppelnden optischen Strahlung (P) mit voneinander verschiedenen Frequenzen (ωl, ω2, ... ωN) zeitlich variiert sind.(λOl, λ02, ... λON) in the optical radiation (P) generated by the radiation source (2) and to be coupled into the at least one optical transmission path (1) with frequencies (ωl, ω2, ... ωN) that differ from one another are varied.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei die Empfängereinrichtung (3) einen breitbandigen optischen Eingang (30) mit einer Bandbreite (Δλ) , welche mit voneinander verschiedenen Frequenzen (ωl, ω2, ... ωN) in Erscheinung tretende reflektierte gitterspezifische Bragg-Wellenlängen (λl, λ2, ... λN) umfaßt, und eine Einrichtung (31) zum frequenzmäßigen Trennen dieser reflektierten gitterspezifischen Bragg-Wellenlängen (λl, λ2, ... λN) aufweist. 4. Sensor arrangement according to claim 3, wherein the receiver device (3) has a broadband optical input (30) with a bandwidth (Δλ), which occurs with different frequencies (ωl, ω2, ... ωN) reflected grating-specific Bragg wavelengths (λl, λ2, ... λN), and has a device (31) for frequency-separating these reflected grating-specific Bragg wavelengths (λl, λ2, ... λN).
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