SE510449C2

SE510449C2 - Fibre optic system for pressure measurement

Info

Publication number: SE510449C2
Application number: SE9603007A
Authority: SE
Inventors: Haakan Johansson; Bertil Hoek
Original assignee: Thermo Optic Ab
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1996-08-19
Publication date: 1999-05-25
Also published as: SE9603007L; SE9603007D0

Abstract

In one end of the optic fibre (2) a pressure sensor component (3) is located, the optical reflectance of which is a monotonous function of an applied hydrostatic pressure within a defined pressure interval. At least one fluorescent material (4), e.g. glass doped with ions of a rare soil type metal, is placed in optical connection with the optic fiber and in thermic connection with the pressure sensor component (3), whereby the optical time constant for the fluorescence is a monotonous function of the temperature. At least one light detector (5) is placed in connection with the optic fibre for detection of light reflected from the pressure sensor component. At least one further light detector (6) is also placed in connection with the optic fibre for detection of fluorescent light from the fluorescent material (4). At least one electronic unit (7) drives the light source (1) and analyses the signals from the light detectors (5,6).

Description

510 449 l fluorescensljusets väglängdsområde medan det våglängdsområde som utsänds från ljuskållan 1 blockeras. Systemet enligt uppfinningen har också den egenskapen att det registrerar den s k optiska tidskonstanten för fluorescensljuset. Denna tidskonstant är en materialparameter som för vissa material har ett entydigt och reproducerbart temperaturberoende. 510 449 l the path length range of the fluorescent light while the wavelength range emitted from the light source 1 is blocked. The system according to the invention also has the property that it registers the so-called optical time constant for the fluorescence light. This time constant is a material parameter which for some materials has an unambiguous and reproducible temperature dependence.

Genom att registrera tidskonstanten mäts alltså sensortemperaturen, vilket kan utnyttjas för kompensering av eventuella temperaturberoenden i sensorns överföringsfunktion. Den optiska tidskonstanten manifesterar sig som en tidsfördröjning hos ﬂuorescensljuset vid pulsad drift av ljuskâllan 1 eller en fasvridning vid drivning med en periodisk vågform.By registering the time constant, the sensor temperature is thus measured, which can be used to compensate for any temperature dependencies in the sensor's transfer function. The optical time constant manifests itself as a time delay of the orescence light during pulsed operation of the light source 1 or a phase shift when operating with a periodic waveform.

Mer detaljerat kan trycksensorelementet 3 i en föredragen utförandeform uppbyggas av två planparallella plattor 8, 9, vilka år utformade så att ett planparallellt hålrum 10 uppstår mellan två av dess parallella ytor.In more detail, in a preferred embodiment, the pressure sensor element 3 can be built up of two plane-parallel plates 8, 9, which are designed so that a plane-parallel cavity 10 arises between two of its parallel surfaces.

Därvid uppstår en s k Fabry-Perot-kavitet, vilken enligt kända lagar uppvisar en våglängdsberoende reflektans som också är beroende av plattavståendet. En av plattorna kan därvid utformas som ett tryckmembran vars elastiska utböjning vid applicerat ger en variation av reflektansen. Vid korrekt dimensionering är reflektansen en monoton, ofta approximativt linjär, funktion av applicerat tryck inom ett önskat tryckintervall. I vissa utförandeformer kan det vara en fördel att placera en positiv lins mellan plattorna 8, 9 och ändytan av fibern 2 på så sätt att fiberändytan befinner sig i fokalplanet. Då blir strålknippet parallellt med vinkelrätt infall mot plattorna 8, 9. Efter reflexion fokuseras strålknippet tillbaka mot fiberns 2 ändyta.This creates a so-called Fabry-Perot cavity, which according to known laws has a wavelength-dependent reflectance which is also dependent on the plate distance. One of the plates can then be designed as a pressure membrane whose elastic deflection when applied gives a variation of the reflectance. When correctly dimensioned, the reflectance is a monotonous, often approximately linear, function of the applied pressure within a desired pressure range. In some embodiments it may be advantageous to place a positive lens between the plates 8, 9 and the end face of the fiber 2 in such a way that the fiber end face is in the focal plane. Then the beam becomes parallel to the perpendicular incident against the plates 8, 9. After reflection, the beam is focused back towards the end surface of the fiber 2.

Plattan 8 utgöres företrädesvis av kisel, som kan bearbetas genom etsning till önskad tjocklek. Plattan 9 bör lämpligen vara transparent för ljus i det aktuella våglängdsområdet. Glas är därför ett lämpligt material som dessutom kan sammanfogas med kisel enligt känd teknik, s k anodisk bondning. Därvid ställs kravet att glasplattans 10 värmeutvidgning ej avviker alltför kraftigt från kisels, eftersom det i så fall uppkommer termiska spänningar. Dessa ger upphov till oönskad temperaturdrift hos sensorelementet. En viss temperaturdrift är oundviklig, t ex den orsakad av temperaturberoendet hos elasticitetsmodulen hos tryckmembranet. Håligheten 10 kan lämpligen etsas ut från kiselplattan 8. För att få optimala reflektionsegenskaper kan ytorna hos glasplattan 9 förses med tunnfilmsbelâggning enligt känd teknik.The plate 8 is preferably made of silicon, which can be machined by etching to the desired thickness. The plate 9 should suitably be transparent to light in the current wavelength range. Glass is therefore a suitable material which can also be joined with silicon according to known technology, so-called anodic bonding. The requirement is that the thermal expansion of the glass plate 10 does not deviate too strongly from silicon, since in that case thermal stresses arise. These give rise to undesired temperature operation of the sensor element. A certain temperature drift is inevitable, for example that caused by the temperature dependence of the modulus of elasticity of the pressure membrane. The cavity 10 can suitably be etched out of the silicon plate 8. In order to obtain optimal reflection properties, the surfaces of the glass plate 9 can be provided with a thin film coating according to known technology.

Sensordelen 3 har företrädesvis små dimensioner, ca 1 mm3, vilket gör att mekanisk resonansfrekvens och därmed sensorns bandbredd blir mycket hög. Den teoretiska resonansfrekvensen för ett kiselmembran med 0.5 mm diameter och 25 pm tjocklek är ca 1.2 MHz. 3 510 449 Det fluorescerande materialet 4 utgöres företrädesvis av en glasplatta med indopade joner av neodym eller annan sällsynt jordartsmetall med fluorescerande egenskaper. Neodymjonen har fluorescens med hög kvantverkningsgrad i det nära infraröda våglängdsområdet, med absorption kring 740 nm, och ﬂuorescens kring 1.06 pm. Den optiska tidskonstanten för neodymdopat fosfatglas är ca 300 ps och har en temperaturvariation av -0.05 %/°C. Den fluorescerande plattan 4 står lämpligen i termisk kontakt med plattorna 8, 9. Allra fördelaktigast vore givetvis om plattorna 4 och 9 utgjordes av en enda glasplatta, men detta ställer stora och delvis motstridiga krav på dess materialegenskaper.The sensor part 3 preferably has small dimensions, about 1 mm3, which means that the mechanical resonant frequency and thus the bandwidth of the sensor becomes very high. The theoretical resonant frequency of a silicon membrane with a diameter of 0.5 mm and a thickness of 25 μm is about 1.2 MHz. The fluorescent material 4 is preferably a glass plate with doped ions of neodymium or other rare earth metal with fluorescent properties. The neodymium ion has high quantum efficiency fluorescence in the near infrared wavelength range, with absorption around 740 nm, and ores uorescence around 1.06 μm. The optical time constant for neodymium doped phosphate glass is about 300 ps and has a temperature variation of -0.05% / ° C. The fluorescent plate 4 is suitably in thermal contact with the plates 8, 9. The most advantageous would of course be if the plates 4 and 9 consisted of a single glass plate, but this places great and partly contradictory demands on its material properties.

Den optiska fibern 2 utgöres företrädesvis av en multimodefiber av steg- eller gradientindextyp med diameter 50-200 um. För att tåla kabelförläggning i industriell miljö måste fibern mantlas, ofta i flera skikt för att klara de dragpåkänningar, böjningar och kemiska angrepp som kan förekomma. Ofta måste fibern av praktiska skäl kunna skarvas med ett eller flera fiberoptiska kontaktdon utan att funktionen förloras. Detta kräver bl a att effektförlusterna i dessa skarvar minimeras och att reflexer undvikes, t ex genom snedslipning av skarvarnas ändytor.The optical fiber 2 preferably consists of a multimode fiber of the step or gradient index type with a diameter of 50-200 μm. To withstand cable routing in an industrial environment, the fiber must be sheathed, often in several layers to withstand the tensile stresses, bends and chemical attacks that can occur. Often, for practical reasons, the fiber must be able to be spliced with one or more fiber optic connectors without losing function. This requires, among other things, that the power losses in these joints are minimized and that reflections are avoided, for example by abrasion of the end surfaces of the joints.

Den fiberoptiska förgreningen ll kan enligt känd teknik antingen bestå av ändslipade fibrer i direktkontakt eller fibrer med ihopsvetsade kärnor.According to the prior art, the fiber optic branch II can consist of either finely ground fibers in direct contact or fibers with welded cores.

Företrädesvis är den optiska förbindelsen mellan fibern 2 å ena sidan, och ljuskällan 1 och detektorerna 5, 6 å den andra, säkrad genom ändamålsenliga fästelement, i förkommande fall linselement enligt känd teknik.Preferably, the optical connection between the fiber 2 on the one hand, and the light source 1 and the detectors 5, 6 on the other hand, is secured by expedient fastening elements, where appropriate lens elements according to the prior art.

Ljuskällan l består företrädesvis av en lysdiod eller en laserdiod med emission i ett våglängdsområde avpassat dels efter sensorelementets 3 Fabry-Perot-kavitet och det fluorescerande materialet 4. Typiskt kan emissionstoppen ligga vid 740 um med en instrålad effekt av 100-500 uW i fibern 2. Den signalnivå som når detektorn 5 är 5-30 % av detta värde, beroende på sensorelementets 3 reflektans. Signalnivån till detektorn 6 är ca tre tiopotenser lägre, främst beroende på den isotropa rumsfördelningen hos fluorescensljuset. Signalen från detektorn 6 måste därför förstärkas kraftigt i förstärkaren 19 för att uppnå acceptabel signalnivå.The light source 1 preferably consists of a light emitting diode or a laser diode with emission in a wavelength range adapted partly to the sensor element 3 Fabry-Perot cavity and the fluorescent material 4. Typically the emission peak can be at 740 μm with an irradiated power of 100-500 uW in the fiber 2 The signal level reaching the detector 5 is 5-30% of this value, depending on the reflectance of the sensor element 3. The signal level to the detector 6 is about three ten powers lower, mainly due to the isotropic space distribution of the fluorescent light. The signal from the detector 6 must therefore be strongly amplified in the amplifier 19 in order to achieve an acceptable signal level.

Drivningen av ljuskâllan 1 kan ske på en rad olika sätt. För detektion av reflektanssignalen kan det ibland räcka att driva lysdioden 1 med en konstant ström Ic från ett strömdon 14. Detta drivsätt har fördelen att signalen från detektorn 5 kan utnyttjas med full bandbredd. I en föredragen utförandeform finns även en återkopplingsslinga som reglerar strömmen så att konstant optisk uteffekt erhålles. 510 449 Å]- Vid drivning av ljuskâllan 1 med konstant ström kan signalen härstammande från fluorescensljuset tillgodogöras bara under förutsättning att detektorn 6 och förstärkaren 19 har sådan stabilitet att inte dess drift och lågfrekvensbrus överskuggar signalen. Skulle detta vara fallet måste ljuskällan i stället drivas på ett tidsvarierande sätt, dvs antingen med korta pulser eller med en periodisk vågform från en generator 13. I en föredragen utförandeform kan manuell eller automatisk omkoppling ske mellan konstant och tidsvarierande drivning genom en omkopplare 15.The driving of the light source 1 can take place in a number of different ways. For detection of the reflectance signal, it may sometimes be sufficient to drive the LED 1 with a constant current Ic from a current device 14. This mode of operation has the advantage that the signal from the detector 5 can be used with full bandwidth. In a preferred embodiment, there is also a feedback loop which regulates the current so that a constant optical output power is obtained. 510 449 Å] - When driving the light source 1 with constant current, the signal originating from the fluorescent light can be assimilated only provided that the detector 6 and the amplifier 19 have such stability that its operation and low frequency noise do not overshadow the signal. Should this be the case, the light source must instead be operated in a time-varying manner, ie either with short pulses or with a periodic waveform from a generator 13. In a preferred embodiment, manual or automatic switching can take place between constant and time-varying driving through a switch 15.

Tidsvarierande drivning av ljuskällan 1 är nödvändig för att kunna registrera den optiska tidskonstanten enligt ovan. I en föredragen utförandeform registreras tidskonstanten med en s k kvadraturdetektor 16 enligt känd teknik. Denna typ av detektor ger en utsignal som är en monoton funktion av fasvridningen mellan drivningen av ljuskällan och signalen från detektorn 6. Alternativt kan tidskonstanten registreras genom mätning av tidsfördröjningen mellan emissionsögonblicket från ljuskällan 1 och fluorescensljusets förlopp.Time-varying operation of the light source 1 is necessary in order to be able to register the optical time constant as above. In a preferred embodiment, the time constant is registered with a so-called quadrature detector 16 according to known technology. This type of detector provides an output signal which is a monotonic function of the phase shift between the driving of the light source and the signal from the detector 6. Alternatively, the time constant can be registered by measuring the time delay between the emission moment from the light source 1 and the fluorescence light.

Från kvadraturdetektorn 16 erhålles tvâ utsignaler varav den ena är ett mått på den optiska tidskonstanten och den andra är ett mått på den totala intensiteten hos fluorescensljuset. Den senare utsignalen pâförs en kvotbildare 17 tillsammans med den från detektorn 5 härstammande signalen som får utgöra täljaren vid kvotbildningen. Dessförinnan har denna signal passerat en förstärkarkoppling 18 och ett lågpassfilter 20 vars övre gränsfrekvens tillsammans med den tidigare nämnda mekaniska resonansfrekvensen år bestämmande för mätsystemets totala bandbredd.From the quadrature detector 16, two output signals are obtained, one of which is a measure of the optical time constant and the other is a measure of the total intensity of the fluorescent light. The latter output signal is applied to a ratio generator 17 together with the signal originating from the detector 5 which is allowed to constitute the numerator during the quota formation. Prior to this, this signal has passed an amplifier coupling 18 and a low-pass filter 20 whose upper cut-off frequency together with the previously mentioned mechanical resonant frequency determines the total bandwidth of the measuring system.

Från kvotbildaren 17 finns ett signaluttag 21 där följaktligen en signal finns tillgänglig som är kompenserad för effektförluster längs den fiberoptiska transmissionssträckan, eftersom sådana förluster påverkar båda signalerna som detekteras av detektorerna ,5 och 6 på ett linjärt sätt.From the ratio generator 17 there is a signal socket 21 where consequently a signal is available which is compensated for power losses along the fiber optic transmission distance, since such losses affect both the signals detected by the detectors, 5 and 6 in a linear manner.

Vidare kan från signaluttaget 22 en utsignal erhållas som är ett mått på sensordelens temperatur, och kan ligga till grund för en automatisk eller manuell temperaturkompensering.Furthermore, an output signal can be obtained from the signal socket 22 which is a measure of the temperature of the sensor part, and can form the basis for an automatic or manual temperature compensation.

Den beskrivna utförandeformen och systemet enligt uppfinningen kan givetvis varieras på mångahanda sätt inom ramen för vidstående patentkrav.The described embodiment and the system according to the invention can of course be varied in many ways within the scope of the appended claims.

Claims

island! and 510 449 PATENT CLAIMS

Fiber optic system for pressure measurement with compensation for transmission losses and temperature variations characterized by at least one light source (1), for example a light emitting diode or laser diode designed and directed so that a significant proportion of emitted light is conducted into at least one optical fiber (2) in whose at one end is a pressure sensor element (3), the optical reflectance of which is a monotonic function of an applied hydrostatic pressure within a defined pressure range at least one fluorescent material (4), for example glass doped with ions of rare earth metal, placed in optical connection with said optical fiber (2), and thermal connection with said pressure sensor element (3), the optical time constant for said fluorescence being a monotonic function of the temperature, at least one light detector (5) placed in connection with said optical fiber (2) for detecting from said pressure sensor element (3) reflected light, at least one light detector (6) placed in connection with said optical fiber (2) for the fluorescence light from said fluorescent material (4), at least one electronics unit (7) for driving said light source (1) and analyzing signals from said light detectors (5, 6), and that said analysis comprises quotient formation between the signals in the corresponding light intensities of said reflected light and said fluorescence light and recording of said optical time constant, at least two signal outputs (21, 22) from said electronics unit (7), the signals obtained from these signal outputs (21, 22) being monotonic functions of pressure and temperature, respectively.

Fiber optic system according to claim 1, characterized in that said pressure sensor element (3) is substantially composed of at least two plane-parallel plates (8, 9) with an intermediate cavity (10), wherein at least one of said plates (8, 9) is translucent, and said cavity (10) defines a so-called Fabry-Perot cavity whose optical reflectance is a function of the distance between said plates (8, 9) and that at least one of said plates (8) constitutes a pressure membrane whose deflection is a monotonic function of applied pressure. 510 449 b

Fiber optic system according to claim 1, characterized in that said fluorescent material (4) consists of glass with the addition of neodymium ions.

Fiber optic system according to claim 1, characterized by at least one optical branch (11) through which light in said fiber (2) is divided into a number of mutually separated passages with optical connection to said light source (1) and detectors (5, 6).

Fiber optic system according to claim 1, characterized by at least one optical filter (12) placed in front of said fluorescence light detector (6), said filter (12) having a high transmission for said fluorescence light, while light from said light source (1) is substantially blocked.

Fiber optic system according to claim 1, characterized by at least one switchable drive device (13, 14) to said light source (1), whereby the intensity and time variations of the emitted light are controlled.

Fiber optic system according to claim 1, characterized by at least one controllable connector (15) through which different drive devices (13, 14) to said light source (1) can be connected.

Fiber optic system according to claim 1, characterized by at least one quadrature detector (16) connected to said detector (6) for fluorescence light.

Fiber optic system according to Claim 1, characterized by at least one ratio generator (17) whose input signals correspond to the light intensities incident from the emission light detectors (5) and (6).