SE413555B - Fiberoptiskt metdon - Google Patents

Description

10 15 20 25 50 55 '7809710-2 ett mått på. den storhet som skall mätas.

Uppfinningen kommer att beskrivas .med hjälp av ett antal ritningsfigxzrer.

Figur 1 visar ettmätdon för dynamiska mätningar. man: 2 visar moauiamms fornamn.

Figur 5-5 visar dopade modulatorers funktion.

Figur 6 visar ett mätdon för både statiska och dynamiska mätningar.

Figur 7 visar funktionen hos mätdonet enligt figur 6.

Figur 8 visar -en variant av givaren enligt figur 6.

Figur 9 visar en givare för töjningsmätnixxg.

Figur 10 visar en temperaturkompenserad givare.

Figur-H visar .den temperaturkompenserade givarens fuzflction.

Figur 12 visar en anrzan temperaturkompenserad givare.

Figur 15 visar funktionen hos mätdonet vid en ljuskälla. med brett spektrum och vid användning av optiskt filter.

Figur 14 visar ytterligare en temperaturkompenserad givare.

Figur 15 visar funktionen hos ett mätdon med ett filter i strâlgången.

Figur 1 visar en fiberoptisk accelerometer, i vilken rörelsen hos en gravita- tionsmassa 9 detekteras med hjälp av en tryckkänslig modulator 5. Ljus från en ljuskälla 1 sändes via en optisk fiber 2, en fiberförgrening 5 och en fi- ber 4 till den optiska modulatom 5. Bakomsmodulatorn finns en speglande yta 6. Det ljus, som passerat modulatorn 5, reflekterats mot ytan 6, åter passerat modulatorn och kommit in i fibern 4, ledes av denna till förgre- ningen 5, där en del av det reflekterade ljuset ledas in i en fiber 7.

Massan 9 och modulatorn 5 ingår i en givare, generellt 'heteclmad med G., som har ett hölje 11 anordnat på. ett underlag 12. En acceleration hos underlaget 12 i pilens 15 riktning överföres via höljet 11 till modulatorn 5 och massan 9, som av en fjäder 10 tryckas mot modulatom. Massan 9 och modulatom 5 ut- gör ett mekaniskt svängzxingssystem av andra ordningen och för accelerationer hos underlaget 12 vid frekvenser under resonansfrekvensen hos det mekaniska svängningssystemet kommer den kraft, varmed massan 9 påverkar modulatorn 5, att vara proportionell mot accelerationen hos underlaget 12, Därigenom kom- mer ljustransmissionen i modulatorn 5 att bero av accelerationen hos under- laget och ljusvariationerzua. i fibern 7 kan kalibreras till accelerationen hos underlaget 12, vilket även kan benämnas mätobjektet. Ljuset från ljus- ledaren Tdetekteras av fotcdetektorn B, vers fotoström förstärks i en förstärkare 14. Utsignalen från förstärkaren passerar ett lågpasefilter 15 10 15 20 25 50 55 7809710-2 och utsignalen från filtret jämföras i ett subtraheringsdon 16 med en refe- renssigïmal Vref. Den därvid erhållna felsignalen styr en regulator 17, som i sin tur styr drivkretsen 18 till lysdioden 1 på sådant sätt, att utsignalen från filtret 15 hållas like med Vmf. Pâ detta sätt kompenserar elektroniken för inetabiliteter hos lysdiod, fibrer och fotodiod. Utsigraslen från för- stärkaren 14 påföres även ett högpassfilter 19, vars utsignal tillföras ett instrument 20, som mätdonets mätsignel. På grund av ett mätsystemet stabili- seras msd hjälp av lâgfrekventa signaler, kan mätdonet ej användes för mät- ning av accelerationer med frekvenser ner mot noll.

Den tryokkänsliga optiska modulatorns funktion skall förklaras med hjälp sv figur 2, som visar dels transmissionsspektret 21 för modulatorn, då. denna utsättas för ett tryck P1, dels samma transmiesionsspektnim 22 då, module- torn utsättas för ett annat tryck P2 och dels ljusspektret 23 för ljuskällan 1.

Moduletorn 5 utgöres i detta fall av en halvledare med ett bandgap motsvar- ande hv , där h är Plancks konstant och 'V det använda ljusets frekvens. Då. trycket, som verkar på. modulatorn, minskar från P1 till P2, komer bandgapet att minska (cirka 10-2 eV/kbar) med resultat att transmissionskanten för- skjuts åt vänster i figuren och skär-ningen med ljuskällans spektralfördel- ningskurva 25 förflyttas från hv, till hva, vilket innebär, ett mindre ljus kommer att transmitteras genom modulatom 5. Som exempel på halvledarmate- rial kan anges galliumarsenid. Det bör observeras, att för erhållande av god stabilitet bör ljuskällan temperaturstabiliseras.

Genom dopning av halvledaren i modulatorn 5, så att en störnivå erhålles 1 bondgopot, erhålles en platå. i transmissionsspsktret mellan hvš ooh hv4, vilket medför att givaren erhåller en zon med lägre känslighet. Detta visas i figur 5 för det fallet ett trycket sjunker från P1 till P2, varvid skär- ningen mellan ljuslcällens spektrum 25 och transmissionsspsktret hos module- torn ligger konstant vid hvo. Denna möjlighet att dopa. halvledaren kan ut- nyttjas för att konstruera en givare med ett stort linearitetsomráde, vilket visas i figur 4. Genom dopning av modulatorn med ett antal föroreningar mot- svarande olika störnivàer i bandgapet och genom styrning av dopningskoncentra- tionerna kan ett linjärt samband erhållas mellan mätstorheten och det ljus, som transmitteras av den optiska modulatorn. Den vågiga kurvformen hos trans- missionsspsktret enligt figur 4 komer, på grund av spridningen hos stör- nivåerna, att redan vid några få störnivåer kunna jämnas ut till en rät linje, så som visas i figur 5. Om därvid en amalbendig ljuskälle. används 10 15 20 25 50 35 '7809710-2 4 kan ett linjärt samband erhållas mellan absorptionskantens förflyttning och intensiteten' hos det ljus som passerat modulatorn.

För mätningar av långsamt varierande .förlopp är stabiliseringsmetoden enligt figur 1 ej användbar. Figur 6 visar ett för sådana mätningar lämpligt mätdon.

Två oscillatorer 49, 51, som arbetar vid skilda frekvenser f1, f2, styr via två. drívkretsar 50 resp 52 var sin lysdiod 25 resp 26, som sänder ut ljus med olika våglängder A1 resp /\.2 genom var sin fiber 27 resp 28. Efter en ' förgrening 29, som förenar fibrerna 27 och 28 till en gemensam fiber 50, erhålles i denna fiber två. ljuskomponenter med skilda våglängder och skilda modulationsfrekvenser. Dessa ljuskomponenter leds via en förgrening 51 och en fiber52 till en tryokkänslig modulator 55 och reflekteras tillbaka mot fibern 52 av en spegel 54. Det ljus, som därvid intränger i fibern 52, leds i denna tillbaka till förgreningen 51, där en del av ljuset kopplas ut via en fiber 58 till en fotodetektor 39, vars fotoström förstärks i en för- stärkare 40. Utsignalen från förstärkaren delas upp av två bandpassfilter 41, 45 i de mot lysdioderna 25 och 26 svarande komponenterna. Dessa komponen- ter med modulationsfrekvenserna f1 resp f2 demoduleras av likriktazna 42 resp 46 och lågpassfiltren 45 resp 47. De därvid erhållna signalerna på- föras en kvotbildare 44, påvars utgång kvoten mellan de från ljuskällorna 25 resp 26 här-rörande signalerna erhålles. Värdet på denna kvot kommer ej att pâverkas av instabiliteter i fiberoptiken och är proportionellt mot transmissionen genom den optiska modulatorn med avseende på. ljuset från ljuskällan 25 och utgår mätdonets mätvärde, som påföres instrumentet 48, vilket kan vara exempelvis ett registrerande instrument. Längre fram i beskrivningen kommer att hänvisas till den inom den streckade fyrkanten 55 visade elektroniken och fiberoptiken.

Själva givaren antages i detta fall vara en kraftgivare, bestående av ett givarhus 55, som står på. ett underlag' 54. Den kraft F, som skall mätas, verkar på. ett med ett membran 56 försett kraftinledande block 57, vilket. överför kraften till den optiska modulatorn 55, vars transmissionsförmåga ändras med den pålagda kraften.

Ljusmodulatorzns 55 funktion framgår av figur 7, i vilken modulatorns trans- missionskurva vid den pålagda kraften F1 är betecknad 55 och motsvarande kurva för den mindre kraften F2 har beteckningen 56. På. samma sätt, som för- klarats i samband med figur 2, komer, vid en ändring av den pålagda kraften F, skärningspunkten mellan ljuskëllans 25 spektralk-urva 57 ooh modulatorns 10 15 20 25 50 55 5 s i 7809110-2 transmissionskurva att förflyttas. Detta" resulterar i att ljuset från ljus- källan 25 med våglängden /l 'i och energin hv1 komer att moduleras av den på- lagda. kraften F. ' För att en referenssigrxal skall erhållas, har ljuskällans 26 frekvens V2 valts så, att en spektralfördelning enligt kurvan 58 erhålles, vilken inom det aktuella kraftomràdet faller helt till vänster om modulatorns trans- missionskant 55. Detta. medför, att den ljuskomponent, som genereras av ljus- källan 26 komer att pâverkas endast av varierande transmission hos fiber- optiken och ej av varierande transmission i givaren på. grund av den påverk- ande kraften.

Figur 6 viser en givare, vid vilken den kraft F, som skall mätas, får påverka denoptiska modulatorn parallellt med strålgángen genom modulatoin. Givar- höljet 59 är placerat på ett underlag 65, som har ett hål för fibern 52. På samma. sätt som visas i figur 6 verkar kraften F via en klots 61, upphängd i ett membran 60, på en' optisk modulator 65, som av kraften F pressas mot en transparent skiva 64¿ fäst i givarhöljet på. samma sida. som fibern 32. En speglande yta 62 är anordnad mellan modulatorn 63 och klotsen 61 för att reflektera ljuset från fibern 32 tillbaka in i denna.

Figur 9 visar hur den optiska modulatom kan användas i en töjningsgivare.

Modulatom 66 med- en spegelbeläggxxing 67 är medelst lim 69 på. den kropp 68, vars töjning skall mätas. En töjning AL av mätsträckan L åstadkommer en inre spänning vi modulatorn, vilken påverkar transmissionen av det ljus, som går genom modulatorn 66. Detta ljus tillföras och bortledes genom en fiber 32, som ej behöver vara i mekanisk kontakt med modulatorn. Med hjälp av en sådan givare kan därför töjningsmätning utföras beröringsfritt på exempelvis roterande eller svängande mätobjekt.

Den i figur 9 visade givaren för att mäta töjningar kan givetvis användas i de flesta mätdon, där konventionella trådtöjningsgivare används, exempelvis för kraftgivare, vridmomentgivare, tryck-givare och aooelerationsgivare.

Ett problem med användning av tryckberoendet hos materials bandgap är, att bandgapet även är temperatur-beroende. Om givaren skall användas för mätning med hög noggrannhet inom ett stort temperaturområde, krävs därför att tempe- raturstabilisering utförs. Figurerna 10a ooh 10b, av vilka figur 10b är ett snitt efter linjen x-x i figur 10a, visar en givare med en extra modulator 92, som ej påverkas av mätstorheten. 'Enligt figur 10b delas ljuset från fibern 32 10 15 20 25 30 55 _7809710~2 ' G\ i två delar, av vilka. den högra delen enligt figuren går genom ett filter 90 och den av lcraften F påverkade modulatorn 53, medan den vàlnstra delen går genom ett identiskt arrangemang med ett filter 91 och den av mätstorheten ej påverkade modulatorn 92. Efter reflexion mot spegeln 54 sår en del av de båda delarna av ljuset tillbaka genom modulatorenia. och filtren och in i fibern 52. Funktionen hos givararrangemanget framgår av figur 11, där spektral- fördelningen för det ljus, som kommer ut genom fibern 32, är betecknad 93 och där 94 och 95 anger transmissionsspelctra för de båda filtren 90 och 91.

Transmissionsspektret för modulatorerrxa 53 och 92 är 'betecknat 96 och kan vara identiskt för båda.. Vid en ökning av temperaturen komer transmissions- kurvan för modulatorerna att flytta sig åt vänster enligt pilarna 97. Detta gör att mer ljus kommer tillbaka in i -fibern från den del av givaren, som har filtret 90, och mindre ljus kommer tillbaka från den del, som har filtret 91.

Vid lämpligt val av filter och modulatorer kan därigenom en temperaturkompen- sering erhållas. I stället för en bredbandig ljuskälla med fördelningskurvan 93 kan två. smalbandiga ljuskällor användas, vilka har fördelningskurvorrm 94 och 95 resp., Om tvâ. skilda ljuskällor används, så som visas i figur 6, kan ett enklare givararrangemang användas, så, som visas i figur 12. Ljuset från fibem 52 får passera en dummymodulator 98, som ej utsattes för påverkan av mätstorheten, samt modulatom 53. I figur 13 visas funktionen hos en sådan givare, där 99 och 100 markerar transmissionsspektret för mät- resp dummy- modulatorn och 102 resp 101 visar ljusspektrum för mät- resp referensljuset. vid en ökning av givartemperaturen kommer absorptionskanterna hos både 99 och 100 att flvttas åt vänster i figuren och som resultat därav minskar in- tensiteten hos det av xnodulatorn påverkade ljuset både med avseende på lju- set från ljuskällan motsvarande kurvan 102 och från ljuskällan med avseende på. kurvan 101. Vid kvot- eller skillnadsbildnirxg av de två. ljuskomponentema, som reflekteras tillbaka. in i fibern 52, kan därför temperaturens inverkan kompenseras. Således kan, även i detta fall, mätdonet enligt figur 6 användas, om endast våglängdsomrâdena hos ljuskälloma 25 och 26 väljas så, att dessa sammanfaller med de båda. modulatorerxzas absorptionskanter enligt figur 13.

Figur 14 visar en alternativ givare med temperaturkompensering. I detta fall är givarhuset 74 uppdelat i två våningar, med den av kraften F påverkade mätmodulatorn 75 anordnad i den övre våningen och den av kraften F opåverkade dummymodulatorn 76 placerad i den nedre våningen. Transmissionen genom de båda modulatorerna mäts med två. identiskt lika. system med ljusledare 80 resp 81 och elektronikenheter 82 resp 85. Elektronikenheteina motsvaras av den streckade fyrkanten 55 i figur 5. Ljus leds mellan enheten 82 och modulatorn 75 i fibern 80 och mellan enheten 85 och modulatorn 76 i ”fibern 81. Skillna-

Claims (7)

10 15 20 '7809710-2 den mellan signalerna från enheterna 82 och 85' bestämmas i en subtraherare 84 och dess utsignal utgör en temperaturkompenserad mätsignal, som kan på.- föras ett registrerande instrument 85. Till skillnad från den i figur 10 vi- sade kompenseringen, kan här användas modulatorer med sexmna bandgap. En ökning av temperaturen komer att medföra en minskning av transmissionen lika mycket i båda modulatorerna. Skillnadssigrxalen ut från subtraheraren 84 är därför opåverkad av temperaturen. Figur 15 visar givarfunktionen för det fall, att en ljuskälla med brett spektrum 88 användes. Om ljuskällan har en konstant intensitet över ett våg- längdsområde större än våglängdsområdet för absorptionskanten 86 hos module.- torn, kommer ett linjärt samband att erhållas mellan absorptionskantens för- flyttning och ljusintensiteten hos det ljus, som passerat modulatorn. För att erhålla ett linjärt samband även mellan mätstorheten och nämnda. ljusintensi- tet, kan en lämpligt vald ljuskälla, eventuellt kombinerad med filter, använ- das. I figur 15 har även karakteristiken 89 för ett filter lagts in. Med den visade transmissionskurvan kommer en givare med samma funktion som visas i figur 2 att erhållas. Filtret kan sättas in i strålgången var som helst mellan ljuskällan och fotodetektorn i mätdonet enligt figurerna 1 eller 6. För er- hållande av de förhållanden, som visas i figlir 7, kan två filter användas med transmissionsspektra enligt kurvorna 57 och 58 i figur 7. Totalt finns fyra möjligheter att påverka mätdonets spektrala egenskaper, nämligen genom val av ljuskälla, filter i strålgåxagen, modulator och fotodetektor. PATENTKRAV

1. Fiberoptiskt mätdon för mätning av fysikaliska storheter såsom tryck, kraft, vridmoment, töjning, nivå, acceleration etc, innehållande en givare för omvandling av den mekaniska storheten till mekaniska spänningar i en i givarendngående kropp, utgörande en modulator som består av ett material, vars optiska egenskaper är beroende av nämnda. mekaniska spänningar, samt anordningar för uppmätning av de nämnda optiska egenskaperna med hjälp av ljus, som lades in i och ut ur givaren, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda optiska egenskaper utgöras av tryckberoendet hos minst en 'absorptionskant i nämnda materials ljusabsorptionsspektmlm.

2. Mätdon enligt patentkravet 1, k ä. n n e t e o k n a t därav, att transporten av ljus in i och ut ur givaren sker med hjälp av optiska fibrer. .7809710-2 a N

3. Mätdon enligt patentkravet 1, k ä. n n e t eko k n a. t därav, att nämnde. modulator består av en krietallstrxzktur med kovalenta bindningar (valenskristall), exempelvis en isolator eller halvledare, och att nämnda. tryckberoende är orsakat av tryckberoendet hos kristallstrukturens bandgap.

4. l-Iätdon enligt patentkravet 5, k ä. n n e t e c k n a. t därav, att kristallstrukturens bandgap ger en absorptionskant i samma våglängdsområde som det för mätningen använda ljuset.'

5. lïiätdon enligt patentkravet 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att materialet i modulatorn är dopat för erhållande av ett linjärt samband mellan den storhet som skall mätas och intensiteten hos det av modulatorn moduleraâe ljuset. _

6. Mätdon enligt patentkravet 1, k ä n n-e t e c k n a t därav, att det för mätning använda ljuset är alstrat av tvâ ljuskällor (25, 26) med skilda ljusspektra (57, 58), ett ljusspektrum för den ena ljuskällan till åtmins- tone en del sammanfaller med våglängdsområdet för modulatormaterialets absorptionskant samt att den andra ljuskällans ljusspektrum till åtminstone en del ligger i ett våglängdsområde där nämnda materials ljusabsorption ej påverkas» av mätstorheten och/eller t ex är konstant.

7. Mätdon enligt petentkravet 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att modulatorn är fäst, exempelvis genom limning, på. en kropp (68), som är utsatt för påverkan av den storhet som skall mätas.

8. Mätdon enligt patentkravet 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att modulatorn består av två. kroppar (55, 70), av vilka endast den ena är på- verkad av den storhet som skall mätas samt att den andra är använd för tempe- raturkompensering.

9. Mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a. t därav, att givaren innehåller två kroppar (75, 76) av nämnda material, av vilka endast den ena Moppen är påverkad av den storhet, som skall mätas, anordningar (80, 82; 81, 83) för uppmätning av ljustrazmmissionen i varvoch en av de båda kropparna, samt anordningar (84) för bestämning av skilnaden eller kvoten mellan de båda transmissionerna.. 9 7ao971o-2

10. Mätdon enligt patentkravet S, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämde. kristallstruktur är densamma som ljuskällarxs kristallstrxzktur och kan utgöras av exempelvis galliumarsenid.

11. Mätdon enligt patentkravet 8, k ä n n e t e o k n a t därav, att det för mätningen använda ljuset i givaren är uppdelat i två delar, där ena delen får passera ett filter som släpper igenom våglängder motsvarande en absorptionskant hos den modulator som är påverkad av den storhet som skall mätas och där andra delen passerar ett filter som släpper igenom våglíärxg-*der motsvarande en arutsn absorptionskant hos den modulator som är opåverkad av den storhet som skall mätas.

12. Mätdon enligt patentkrav 8, k ä. n n e t e c k n a. t därav, att det för mätning använda ljuset innehåller två. komponenter med skilda ljus- spektra, att ljusspektrnzm för den ena. komponenten till åtminstone en del sammanfaller med absorptionskanten hos den modulator som är påverkad av mät- storheten, att ljusspektrxnn för den andra komponenten ligger i ett våglängde- område, där absorptionsspektrum för den mätande modulatorn är opåverkad av mätstorheten och där den av mätstorheten opåverkade modulatom har en absorp- tionskant, samt att de båda. ljuskomponenterrxa passerar båda modulatorerna.

15. Mätdon enligt patentkravet 6, k ä, n n e t e c k n a t därav, att de använda ljuskällorna (25, 26) är temperaturstabiliserade.