WO1991019965A1 - Faseroptischer drucksensor - Google Patents

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WO1991019965A1
WO1991019965A1 PCT/EP1991/001092 EP9101092W WO9119965A1 WO 1991019965 A1 WO1991019965 A1 WO 1991019965A1 EP 9101092 W EP9101092 W EP 9101092W WO 9119965 A1 WO9119965 A1 WO 9119965A1
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WO
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optical waveguide
membrane
optical
light
pressure sensor
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Application number
PCT/EP1991/001092
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English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Weiss
Original Assignee
Dynisco Geräte Gmbh
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.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • 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
    • G01D5/268—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 using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic pressure sensor with a pressure measuring head which has a housing in which a membrane, which acts as a pressure transducer and carries out a lifting movement under pressure, is accommodated, the inside of the membrane of which is provided with a highly reflective mirror coating, and with an optical waveguide, the end face of which highly reflective mirroring of the inside of the membrane is aligned, and via which light emitted by a light source is fed into the pressure measuring head.
  • a fiber optic pressure sensor is known.
  • the housing provided with the membrane is in addition to the above, as
  • Optical fiber that acts as input optical fiber and another that acts as output optical fiber
  • Optical fiber arranged. It is provided here that the optical axes of these two optical waveguides are inclined to the reflecting inside of the membrane. That from the
  • the membrane bulges inwards, causing the
  • the input optical fiber coupled-in light intensity and the amount of light received by the output optical fiber represents a measure of the pressure acting on the membrane.
  • This known fiber-optic pressure sensor has the disadvantage that the intensity of the reflecting light changes only insignificantly with a small stroke movement of the membrane, so that only large changes in pressure can be detected with some accuracy. In addition, not only get directly to the Light rays reflected in the membrane
  • Output fiber The diffuse reflection in the
  • Light source to the optoelectronic detector is subject to fluctuations, on the one hand by bending the
  • Output multimode optical fibers arranged in alignment. Between the mutually facing end faces of these multimode optical fibers, two grids are arranged orthogonally to their common optical axis. The coupling of the light between the input multimode optical fiber and the output multimode optical fiber takes place via a H
  • SELFOC gradient lens such that the light in the area of the two grids runs parallel to the optical axis.
  • One of the two grids is firmly connected to a membrane that acts parallel to the optical axis and acts as a pressure transducer, the stroke movement of which is caused by pressure being applied orthogonally to this optical axis.
  • the grating connected to the membrane is thereby shifted relative to the second grating arranged in the housing. This has the effect that the light transmission through the two grids is reduced, as a result of which the intensity of the light received by the output multimode optical waveguide is reduced.
  • the intensity of the light coupled from the input multimode optical waveguide to the output multimode optical waveguide is measured in a detector electronics connected downstream of the output multimode optical waveguide.
  • the ratiometric ratio of the coupled-in and coupled-in intensity then represents a measure of the pressure to be measured.
  • the pressure that can be measured with this pressure sensor is a maximum of 7.5 kPa.
  • fiber optic pressure sensor is known under the term fiber Fabry-Perot pressure measuring sensor. It consists of a piece of optical fiber, the end face of which is cut perpendicular to the optical axis of the optical fiber. One end face of the fiber optic cable is polished and partially mirrored. The other r
  • the face is highly reflective.
  • the light coupled into the fiber Fabry-Perot pressure measurement sensor is reflected several times between the end faces of the optical waveguide which act as mirrors.
  • the optical waveguide thus represents an optical resonator of a multi-beam interferometer, in which the often reflected partial waves are superimposed constructively when the optical length of the optical waveguide is an integral multiple of half the wavelengths of the coupled light.
  • destructive interference occurs when the path difference of the partial waves is an odd multiple of the quarter wavelength.
  • the resulting interference pattern is detected by a detector. Elongation or compression of the optical waveguide changes the optical length thereof, which simultaneously changes the interference pattern. From this change in the interference pattern, the pressure or tension to be measured can then be determined indirectly via the change in length of the optical waveguide.
  • a disadvantage of this known pressure sensor is that the optical length of the fiber changes very strongly with temperature.
  • the fiber optic pressure sensors described have the disadvantage that they can only be used in a certain pressure range, the upper limit of which typically does not exceed the kPa range. It is therefore not possible to use fiber-optic pressure sensors of this type in plastics processing for pressure-dependent monitoring, control and regulation of plastics processing machines, in which this parameter is extremely important for the production of quality plastic parts.
  • Plastic processing machines experience extremely high pressure loads, some of which are greater than 2000 bar (200 MPa).
  • the pressure measurement in such machines is further complicated by the fact that the pressure sensor is exposed to a high temperature load (sometimes greater than 400 ⁇ C), for which the known fiber-optic pressure sensors are not designed.
  • the object of the invention is to develop a fiber-optic pressure sensor which allows a simple, but nevertheless exact and reliable measurement, even of high pressures.
  • the pressure sensor according to the invention can be used at high temperatures of several hundred degrees Celsius.
  • Another requirement of the pressure sensor according to the invention is that it should work in a route-neutral manner.
  • This object is achieved in that the mirroring of the inside of the membrane and the end face of the optical waveguide are orthogonal to an optical axis of the optical waveguide, and that the end face of the optical waveguide is designed to be partially reflective, so that the highly reflective mirroring of the inside of the membrane and by the partially reflecting end face of the
  • a Fabry-Perot resonator is formed in which the light coupled into the Fabry-Perot resonator by the optical waveguide is reflected on the highly reflective mirroring of the inside of the membrane to the partially reflecting end face of the optical waveguide, and in which this reflected light forms a reflection coefficient R of partially reflecting end face of the optical waveguide is reflected for the highly reflective mirroring of the inside of the membrane, and in which the remaining portion of the light reflected by the highly reflective mirroring is transmitted through the partially reflecting end face of the optical waveguide, and that is coupled out of the Fabry-Perot resonator and into the Optical waveguide transmitted light has a temporal intensity distribution due to the fact that in the Fabry-Perot resonator instead of inducing multi-beam interference of the injected light, this is due to the temporal duration f the stroke movement of the membrane is determined, and that the intensity distribution of the transmitted light is registered in an optoelectronic detector device and in ⁇ a
  • the measures according to the invention create a fiber-optic pressure sensor in a particularly simple manner, which can be used universally over a wide pressure range.
  • the use of a commercially available housing and a conventional membrane as a pressure sensor of the pressure measuring head of the fiber optic pressure sensor according to the invention not only has the advantage of an inexpensive method of manufacture. Rather, it allows the use of these conventional components, the properties of which are essential for the pressure measurement - for example the dependence of the membrane stroke on the pressurization and the temperature dependence of the modulus of elasticity of the membrane - are known, for the pressure and / or temperature range under consideration use the best suitable membrane without extensive calibration and calibration measurements.
  • the evaluation of the interference pattern caused by the multi-beam interference of the light beams reflected back and forth in the Fabry-Perot resonator of the pressure measuring head according to the invention permits extremely precise detection of the stroke movement caused by the pressurization of the membrane. Due to the known relationship between the diaphragm stroke and the pressure acting on the diaphragm, this interferometric length measurement achieves an extremely precise pressure measurement, which allows the pressure-dependent monitoring, control and regulation of plastic processing machines in a particularly advantageous manner.
  • the print resolution that can be achieved with the fiber-optic pressure sensor according to the invention can easily be adapted to the desired application, which - apart from the properties of the membrane used as the pressure sensor - is essentially determined by the wavelength of the coherent and monochrome light emitted by the light wave.
  • the purely digital detection of the intensity maxima and intensity minima of the transmitted light intensity, which is coupled out of the Fabry-Perot resonator and directed via the optical waveguide to the optoelectronic detector device, in a particularly advantageous manner results in a path neutrality of the fiber-optic pressure sensor since the measurement results are not lo by fluctuations in light intensity as well as by the
  • Signal form of the transmitted light intensity can be negatively influenced.
  • the fiber-optic pressure sensor according to the invention is not only distinguished by its universal structure, which can be adapted particularly easily to a wide variety of pressure ranges.
  • this universality of the pressure measuring range there is a particularly wide range of applications in a particularly advantageous manner: possible to use the pressure sensor according to the invention in electrically disturbed systems, since the non-metallic fiber transmission used here for the measurement results is completely immune to electromagnetic interference of all kinds.
  • a further area of application of the pressure sensor according to the invention is in systems at risk of explosion, since the extremely small powers which are sufficient to supply the Fabry-Perot resonator of the pressure measuring head allow a safe pressure measurement directly in a highly explosive atmosphere.
  • the fiber-optic pressure sensor according to the invention can be used in "difficult" environments of all kinds, such as e.g. caused by chemically aggressive substances, extreme temperatures, extremely high pressure or ionizing radiation, can be used universally.
  • a further advantageous development of the invention provides that the highly reflective mirroring attached to the inside of the membrane and / or the partially reflective mirroring of the end face of the optical waveguide is produced by vapor deposition and / or polishing of a preferably metallic substrate.
  • the membrane is reinforced in its part opposite the end face of the optical waveguide, so that the mirroring of the inside of the membrane always runs plane-parallel to the partially reflecting end face of the optical waveguide, even with a large membrane stroke.
  • a further advantageous development of the invention provides that the optical waveguides used to feed the coherent and monochrome laser light emitted by the laser transmitter diode into the Fabry-Perot resonator of the pressure measuring head are designed as single-mode optical waveguides.
  • This measure according to the invention has the advantage that the Fabry-Perot resonator has a higher phase sensitivity due to the precisely defined mode structure of the injected light than would be the case when using simpler multimode optical waveguides.
  • This increased phase sensitivity of the multibeam interference taking place in the Fabry-Perot resonator in turn increases the pressure resolution of the fiber-optic pressure sensor according to the invention in a particularly advantageous manner.
  • the fiber-optic pressure sensor consisting of the monochrome and coherent laser light-emitting light source and the fiber-optic pressure sensor connected to the light source via the monomode optical waveguide permits reliable and precise pressure measurement if the time course of the pressurization of the membrane is known.
  • a coding device is connected between the light source and the pressure measuring head, which encodes the monochrome and splits coherent laser light into two partial beams which are phase-shifted from one another and which can be discriminated by their coding and which are fed to the pressure measuring head via a polarization-maintaining monomode optical waveguide.
  • the two coded partial beams of the laser light are then evaluated separately in two separate detector diodes of the detector device.
  • the coding device is formed either by an integrated optical chip or by the discrete components corresponding to the integrated optical chip.
  • a further advantageous development of the invention provides that the coding device has a polarization controller and a phase shifter which can be modulated very quickly, so that the laser light fed into the coding device successively has two different times in a predetermined time sequence / y
  • a coding device constructed in this way is distinguished by its simple construction, since the directional couplers required in the coding device described above and one of the two polarization controllers can be dispensed with without replacement. It is also advantageously provided that only a single optoelectronic detector diode is required to detect the transmitted intensity, which is correspondingly coordinated in time. The optical signals of the two detector branches can thus be registered in a single detector diode.
  • a further advantageous development of the invention provides that the monochrome and coherent laser light emitted by the light source is subjected to single-sideband modulation and is passed to the pressure measuring head via multimode optical fibers. This measure increases the resolution of the interferometric length measurement, so that even with digital recording and evaluation of the transmitted intensity, a length / pressure resolution can be achieved which is largely equivalent to an analog evaluation method which records all intermediate values of the transmitted intensity distribution.
  • an infrared temperature sensor is integrated in the pressure measuring head.
  • Infrared sensor required feed of
  • Infrared light radiation is carried out via a separate optical fiber or via the optical waveguide used to feed the laser light into the Fabry-Perot resonator.
  • This measure has the advantage that the temperature compensation of the pressure measurement results required for the exact detection of the pressurization of the membrane can be carried out very precisely and very quickly.
  • Another advantage of this arrangement is that when using the pressure sensor according to the invention with an integrated temperature sensor in injection molding extrusion machines, the temperature of the plastic mass in contact with the membrane can easily be measured.
  • FIG. 1 shows the system components of the pressure sensor
  • Figure 2 shows a first embodiment of a
  • FIG. 3 shows the distribution of the transmitted
  • Figure 4 shows an integrated optical chip
  • FIG. 5 shows the distribution of the transmitted
  • Figure 6 shows a second embodiment of the
  • Figure 7a is a diagram for explaining another
  • Figure 7b is a block diagram for executing the
  • the fiber-optic pressure sensor shown in FIG. 1 has a pressure measuring head 10, which is connected to an integrated optical chip 20 via a single-mode optical waveguide 11. This stands with another via a single-mode optical waveguide 31
  • Light transmitter / receiver unit 30 in connection.
  • the monochrome and coherent light emitted by a laser transmitter diode 32 of the light transmitter / receiver unit 30 is fed into the integrated optical chip 20 via the further single-mode optical waveguide 31.
  • the light transmitter / receiver unit 30 are each connected to outputs 20a and 20b of the integrated optical chip 20 via a multimode optical waveguide 34a and 34b.
  • the light transmitter / receiver unit 30 is over
  • the fiber-optic pressure sensor has a temperature sensor 50, which is connected to the control and evaluation electronics 40 via a further signal line 51.
  • the fiber optic pressure measuring head 10 is shown in more detail in FIG. 2.
  • a membrane 13, which functions as a pressure sensor, is attached to the front side of a housing 12 of the fiber-optic pressure measuring head 10.
  • the membrane 13 When the membrane 13 is loaded with a certain pressure p, the membrane 13 bulges under this pressure into the interior 12 'of the housing 12.
  • the housing 12 and the membrane 13 of the fiber-optic pressure sensor 10 are not commercially available components, as are known in the art fiber optic pressure sensors are used for pressure measurement.
  • This advantageously makes it possible, when implementing the pressure measuring head 10 described, to use known and proven pressure measuring membranes, the mechanical properties (thermal expansion, modulus of elasticity of the membrane material, relationship between pressurization and stroke) good for the pressure and / or temperature range of interest are known.
  • the cheaper Using known housing and membrane the construction of the pressure measuring head 10 described is considerable, since no complex new development of the membrane 13 and the housing 12 is necessary.
  • the reflective part of the membrane 13 moves linearly inward when pressure is applied, ie that the reflective coating 14 on the inside 13 'of the membrane is orthogonal to the optical axis 15 of the single-mode optical waveguide 11 during the stroke movement of the membrane 13 caused by the pressurization remains. This requirement is sufficiently met in the known membrane used for pressure measurement.
  • the expression “highly reflective” in the designation of the reflective properties of the mirroring 14 should not be understood to mean that a reflection coefficient of the mirroring 14 that is of the order of one is avoided. Rather, it is known to the person skilled in the art that how he has to choose the reflection coefficient of the mirroring 14 so that a resonator quality of the Fabry-Perot resonator corresponding to the desired purpose is achieved.
  • the single-mode optical waveguide 11 is arranged in the part of the housing 12 opposite the membrane 13.
  • the order anteling 11a of the single-mode optical fiber 11 is fixed in the housing 12 by an adhesive 16 resistant to high temperatures.
  • This measure has the effect that the pressure sensor described can also be used at high temperatures, since the monomode optical waveguide 11 is held securely in the housing 12 of the fiber-optic pressure measuring head 10 even at such temperatures.
  • Single-mode optical fiber 11 in the housing 12 of the fiber optic print 10 is that its end face 11 'orthogonal to the optical axis 15 of the
  • Single-mode optical waveguide 11 stands and thus runs parallel to the mirroring on the inside of the membrane 13 'of the membrane 13.
  • the end face 11 'of the single-mode optical waveguide 11, which is at a distance of - preferably - about 1/100 to 10 mm from the inside of the membrane 13' is partially reflective, this partially reflective mirroring being carried out in a manner known per se by vapor deposition and polishing suitable - preferably metallic - substrate is achieved.
  • This mirroring of the end face 11 'of the single-mode optical waveguide 11 ensures that the light beams incident on the end face 11' from the single-mode optical waveguide 11 come from the light source (laser transmitter diode 32)
  • Light transmitter / receiver unit 30 emit coherent and monochrome laser light essentially undamped through this partially reflecting end face 11 ′ and then reach the highly reflective mirroring 14.
  • the optical behavior of the end face 11 ' stands for light waves that were reflected by the mirroring 14 of the membrane inside 13' and hit the end face 11 'of the single-mode optical fiber 11 from this direction: the partially reflecting mirroring of the end face 11' of the Single-mode optical waveguide 11 has the effect that only a certain proportion of the light incident on the end face 11 ′ is reflected again in the direction of the membrane 13.
  • This light component which is dependent on the reflection coefficient R, runs back to the reflecting surface 14 of the inside of the membrane 13 'and, after a new reflection, reaches the end face 11', etc.
  • the non-reflected portion 1-R of the light incident on the end face 11 ' is transmitted through this and then passed from the single-mode optical fiber 11 to the integrated optical chip 20.
  • the highly reflective mirroring 14 of the part of the membrane inside 13 'of the membrane 13 opposite the end face 11' of the polarization-maintaining monomode optical waveguide 11 'and the partially transparent, partially reflecting mirroring of the end face 11' makes a resonator of a Fabry-Perot in a particularly simple manner -Interferometer created, which enables a high-resolution detection of the stroke of the membrane 13 caused by the pressurization and thus an extremely precise measurement of the pressure p acting on the membrane 13: by the multiple reflections described above in the through the partially reflecting end face 11 'and the highly reflective Mirroring 14 formed Fabry-Perot resonator reciprocating monochrome and coherent light rays occurs a multi-beam interference, which forms the known interference pattern already described above.
  • the light wave coupled out of the Fabry-Perot resonator and transmitted into the polarization-maintaining monomode optical waveguide 11 has an intensity distribution on It, the regularity of which is determined by the well-
  • the intensity Ij- of the laser light coupled out of the Fabry-Perot resonator and transmitted into the single-mode optical waveguide 11 is minimal if the optical length LQ of this resonator is an integral multiple of half the wavelength 1 of the coherent, monochrome laser light.
  • the intensity of the transmitted light is maximal when the optical length of the Fabry-Perot resonator is an odd number
  • Pressure sensor is the one from the distribution described above
  • Optical fiber transmitted light wave to a maximum
  • the measuring principle of the fiber-optic pressure sensor is now as follows: If the pressure p is applied to the membrane 13, then this, together with the highly reflective mirroring 14 applied to the inside of the membrane 13 ', shifts in the direction of the end face 11' of the single-mode optical waveguide 11. that the optical length LQ of the Fabry-Perot resonator is reduced, which results in a change in the intensity distribution I of the amount of light transmitted into the single-mode optical waveguide 11. A typical intensity distribution It of the transmitted light is shown in FIG. 3. On the abscissa of the diagram contained in this figure is in arbitrary units the time course of the stroke movement of the membrane 13 is plotted.
  • the ordinate of the diagram shows the distribution of the transmitted light intensity It standardized to the light intensity IQ fed into the Fabry-Perot resonator.
  • the curve 1 shown in FIG. 3 then represents the quantity of light registered by a detector diode 33a of the light transmitter / receiver unit 30. Since the pressure measurement based on the principle of interferometric length measurement only allows a relative measurement of the pressure p acting on the membrane 13 detect, it is assumed that the fiber optic pressure sensor was previously calibrated in such a way that a certain, precisely defined reference pressure is assigned to the rest position of the membrane 13 (zero point of the diagram in FIG. 3).
  • the membrane 13 is now subjected to the pressure p, a lifting movement of the membrane 13 is triggered.
  • the optical length Accordingly, the 2r L Q of the Fabry-Perot resonator decreases continuously.
  • the lifting movement of the membrane 13 ends when the forces caused by the pressurization acting on the membrane and the membrane tension increased by the lifting movement keep their balance.
  • the light transmitter / receiver unit 30 registers a first maximum MAI of the transmitted intensity. After a further displacement of the membrane 13 from a quarter wavelength 1, a first minimum MI1 of the transmitted intensity is registered. After a further membrane stroke of a quarter wavelength 1, a second maximum MA2 of the intensity distribution is registered in the light transmitter / receiver unit 30, etc.
  • the measuring principle of the fiber-optic pressure sensor 10 is now immediately apparent to the person skilled in the art from the above description:
  • the digital pressure measurement based on an interferometric length measurement is carried out in such a way that the intensity distribution of the transmitted light in registered in the optoelectronic detector diodes 33a, 33b of the light transmitter / receiver unit 30 the control and evaluation electronics 40 only the maxima and / or the minima of the transmitted light intensity are evaluated.
  • the fiber optic pressure sensor is characterized by its neutrality in the line.
  • Another advantage of this digital acquisition is that the measurement accuracy that can be achieved is largely independent of the signal shape and the quality of the Fabry-Perot resonator.
  • an optical system for focusing and / or folding those reflected in the Faby-Perot resonator back and forth between the mirroring 14 and the end face 11 ' Light rays is arranged.
  • This measure has the effect that the optical path which the light beams travel before they re-enter the optical waveguide 11 is doubled or multiplied.
  • this optical system was not shown in FIG. 2.
  • the fiber-optic pressure sensor consisting of the laser transmitter diode 32, which functions as a light source and emits a monochrome and coherent laser light, and the pressure-measuring head 10, which is connected to the light source via the monomode optical waveguide 11, permits reliable and precise pressure measurement if the time course of the pressurization is known : Because with the above measuring principle of the fiber optic pressure sensor, it is not yet possible to detect a reversal of the direction of the membrane 13, ie it is not possible to decide whether the pressure p increases or decreases. This lack of directional sensitivity of the interferometric pressure measurement method can be seen from the diagram contained in FIG. 3: It is assumed that the membrane 13 assumes its equilibrium position after a deflection by the distance X.
  • a particularly advantageous possibility of coding these two partial beams of the laser light emitted by the light transmitter / receiver unit 30 consists in linearly polarizing the two partial beams differently, preferably perpendicularly to one another, and then evaluating the intensities of the two differently coded (polarized) partial beams separately.
  • Another possibility of coding is to use a left and right circularly polarized partial beam. 3 °
  • Coding by the polarization of the two partial beams is carried out in the integrated optical chip 20.
  • the integrated optical chip 20 acting as a coding device In order to be able to feed the laser beams polarized by the integrated optical chip 20 acting as a coding device into the pressure measuring head 10, it is necessary in this case that
  • Optical waveguide 11 as polarization-maintaining
  • the coherent laser beam emitted by the transmitter laser diode 32 and guided by the further single-mode optical waveguide 31 to the integrated optical chip 20 is split into two partial beams in a first directional coupler 21a, each of which passes through an optical branch 22a and 22b of the integrated optical chip 20.
  • a first polarization controller 23a Arranged in the first optical branch 22a is a first polarization controller 23a, the preferred transmission direction (main polarization axis) of which is rotated by 90 ° with respect to the main polarization controller of the second polarization controller 23b of the second optical branch 22b.
  • the partial beam of the coherent laser light extending in the branch 22a or 22b has a precisely defined polarization.
  • a phase shifter 24 is provided in the first branch 22a, which phase shifts the polarized
  • Phase shifter 24 phase shift that can be generated is variable.
  • phase shifter 24 performs an electrical modulation of the coherent laser light located in the first branch 22a in addition to the phase shift.
  • the two coherent, mutually orthogonally polarized and phase-shifted partial beams of the two optical branches 22a and 22b are again superimposed and reach the pressure measuring head 10 via the Monorco e optical waveguide 11.
  • the laser light which is decoupled from the interferometric Fabry-Perot pressure sensor 10 and returned via the polarization-maintaining monomode optical waveguide 11 to the integrated optical chip 20, is split into two optical detector branches 25a and 25b in a polarization-maintaining third directional coupler 21c.
  • a depolarizer 26a, 26b is arranged in each optical detector branch 25a and 25b.
  • the first and second depolarizers 26a and 26b of the first and second detector branches 25a and 25b each serves to split the light, which is coupled out of the Fabry-Perot resonator and has two different polarization directions, in such a way that in the downstream of the respective depolarizer 26a, 26b, each via a multimode optical waveguide 34a, 34b with the outputs
  • Depolarizers 26a and 26b One of the two depolarizers
  • 26a, 26b is set such that it only transmits light rays that are one of the main polarization factors of the
  • FIG. 5 shows - analogously to FIG. 3 - the time behavior of the intensity coupled out from the Fabry-Perot resonator: on the The time curve of the light intensity registered in the detector diodes 33a and 33b is shown in the abscissa of the diagram.
  • the ordinate of the diagram in FIG. 5 shows the distribution of the transmitted intensity It normalized to the intensity I Q coupled into the Fabry-Perot resonator.
  • Curve 2 shown in dashed lines, shows the temporal change in the interference maxima and interference minima of the first partial beam passing through the first optical branch 22a of the integrated optical chip 20, ie the partial beam which undergoes a phase shift in the integrated optical chip 20 with respect to the second partial beam.
  • the intensity distribution of the phase-shifted partial beam can be easily derived from the above equation by adding the phase shift to the argument of the sine function that occurs in the denominator of the Airy function. It can be seen from the diagram in FIG.
  • the chronological sequence of the intensity maxima and minima of the first sub-beam and the second sub-beam is reversed. While the intensity maxima and intensity minima of the phase-shifted partial beam lag behind the corresponding intensity maxima and intensity minima of the non-phase-shifted partial beam with a direction of movement of the membrane 13 toward the end face 11 'of the optical waveguide - that is, with a reduction in the optical length LQ of the Fabry-Perot resonator, they follow a reversal of the direction of the membrane movement - that is to say with a reduction in the deflection of the membrane 13 caused enlargement of the optical length LQ of the Fabry-Perot resonator - the intensity maxima and intensity minima of the phase-shifted partial beam before the corresponding intensity maxima and intensity minima of the non-phase-shifted partial beam.
  • the control and evaluation electronics 40 detects this temporal change in the relative phase position of the transmitted intensities of the individual partial beams and then - in a manner which is readily apparent to the person skilled in the art from the above statements - calculates the temporal course of the stroke movement from this interferometrically detected reversal in length and direction and thus - with a known relationship between pressurization and stroke movement of the membrane 13 - the pressure p acting on the membrane 13.
  • the pressure sensor 10 consisting of the laser transmitter diode 32, the integrated optical chip 20, the pressure sensor 10 connected to the integrated optical chip 20 via the polarization-maintaining monomode optical waveguide 11 and the two detector diodes 33a and 33b of the light transmitter / receiver unit 30 allow it in Particularly advantageous way of reliably and reliably detecting the pressure p acting on the membrane 13 even when the pressure curve is not known and / or has fluctuations.
  • An alternative embodiment of the fiber optic pressure sensor uses a slightly modified version of the integrates optical chips 20.
  • This alternative embodiment of this component of the fiber optic pressure sensor can easily be derived from the embodiment of the integrated optical chip 20 shown in FIG. 4, so that no separate drawing was dedicated to this alternative version.
  • the essential feature of this embodiment of the integrated optical chip 20 is that the main polarization direction of the first polarization adjuster 23a can be electrically modulated very quickly, ie the light beam passing through the electrically modulable first polarization adjuster 23a is broken down into a temporal sequence of beam segments which alternately have a different - preferably have a polarization that is orthogonal to one another or different in their sense of rotation.
  • Such a coding of the monochrome and coherent laser light emitted by the transmitter laser diode 32 and directed via the single-mode optical waveguide 31 to the integrated optical chip 20 simplifies the structure of the integrated optical chip 20 and the structure of the light transmitter / receiver unit 30 considerably: Since the electrically modulatable first polarization adjuster 23a allows two polarization directions that can be discriminated against one another within the first partial beam of the first optical branch 22a, the second optical branch 22b of the integrated optical chip 20 can be omitted without replacement. The construction and thus the manufacturing costs of the integrated optical chip 20 are drastically reduced because the first directional coupler 21a, the second 31- directional coupler 21b and the second polarization adjuster 23b are no longer necessary.
  • control and evaluation electronics 40 are designed such that the distribution of the transmitted intensity registered by an optoelectronic detector diode 33a, 33b can be resolved in a time-segmented manner.
  • control and evaluation electronics 40 can recognize how the light intensity of one or the other detected in an optoelectronic detector diode 33a, 33b at a certain point in time
  • Polarization direction (coding) of the light beam is to be attributed.
  • Such a design of the control and evaluation electronics 40 makes it possible in a particularly advantageous manner to further simplify the structure of the integrated optical chip 20 and the light transmitter / receiver unit 30.
  • the resolving power of the control and evaluation electronics 40 which operates in a segmented manner over time and thus detects the two different polarization directions of the laser beam used for the interferometric length measurement, makes it possible to carry out a reliable pressure measurement only with a single optoelectronic detector diode, for example the detector diode 33a.
  • the second detector diode 33b of the light transmitter / receiver device 30 can be dispensed with without replacement.
  • the consequence of this is that the integrated optical chip 20 is then simpler and therefore cheaper
  • Multi-mode optical fibers 34b - are no longer required and can therefore be omitted.
  • the coding device is designed as an integrated optical chip 20.
  • the individual functional units of the integrated optical chip 20 are also possible to design the individual functional units of the integrated optical chip 20 as discrete components using conventional technology.
  • the resulting integrated optical chip which has both electrical and optical connections, has the advantage that it is direct - i.e. from the manufacturer - can be adjusted, which simplifies the construction of the fiber optic pressure sensor, which in turn has a positive impact on the manufacturing costs.
  • the resolution of the interferometric length measurement and thus the print resolution basically depends on the wavelength of the monochrome and coherent laser light used 33 will.
  • Laser transmission diode 32 a single sideband modulation of the laser light emitted by this takes place.
  • optical waveguide 31 As a multimode optical waveguide.
  • the latter secondary temperature effect can be easily remedied by providing that the housing 12 of the pressure measuring head 10 is evacuated.
  • the pressure measuring head 10 is equipped with a temperature sensor 50, which is connected to the control and evaluation electronics 40 via a signal line 51.
  • This temperature sensor 50 can be designed as a conventionally designed thermometer with which the temperature of the membrane 13 and / or the housing 12 of the fiber optic pressure measuring head 10 can be detected.
  • a particularly advantageous embodiment of the temperature sensor 50 is that the pressure measuring head 12 has a further optical waveguide, not explicitly shown in FIG. 2, with which infrared radiation can be fed into the pressure measuring head 10. It can also be provided be that of the optical waveguide 11, both infrared temperature measurement is used to supply 'of the Fabry-Perot resonator with monochromatic and coherent laser light for measuring pressure and for feeding an infrared radiation to.
  • the person skilled in the art is familiar with the structure and mode of operation of such an infrared temperature measuring system, so that a more detailed description can be dispensed with here.
  • a fiber optic pressure measuring head 10 with such an infrared temperature measuring system not only allows the simple and reliable temperature compensation of the pressure values determined via the interferometric length measurement.
  • the pressure measuring head 10 described consists in that the infrared temperature measurement which permits it Infrared optical waveguide is guided through the housing 22 and opens into a - not shown - quartz lens on the front of the housing 12.
  • This measure has the advantage that a pressure measuring head 10 configured in this way not only enables pressure measurement in a particularly advantageous manner. Rather, it allows and its through the housing 12 to the quartz lens
  • FIG. 6 A second exemplary embodiment of a pressure measuring head is shown in FIG. 6. This second exemplary embodiment is largely identical to the pressure measuring head 10 shown in FIG. 2 and described in detail above, so that the same parts can be designated with the same reference numbers.
  • this further pressure measuring head 110 is designed such that the pressure p acting on it does not act directly on the membrane 13.
  • the membrane 13 is preceded by a piston 18 guided in a sleeve 17.
  • the piston 18 shifts as a result of pressure p acting on its end face 18 ′ toward the membrane 13 and causes it to perform a lifting movement — analogously to the pressure measuring head 10.
  • the way in which the pressure measuring head 110 works is completely analogous to the way in which the pressure measuring head 10 described above works, so that further explanations are unnecessary at this point.
  • the indirect application of pressure to the membrane 13 of the pressure measuring head 110 via the piston 18 has the advantage that the membrane 13 is not exposed to as high a temperature load as is the case with the membrane of the pressure measuring head 10.
  • Another advantage of the pressure measuring head 110 is that it is easily possible to place it even at measuring locations that are difficult to access, since due to the compact design of the sleeve 17 together with the piston 18 accommodated in it, only a small space requirement for the part of the pressure sensor that functions as a pressure sensor Pressure measuring head 110 is necessary.
  • n L refractive index of the optical medium
  • L geometric length
  • a method is based on the figures 7a and 7b described in more detail. The presentation is based on the literature KJ.ST, R., DROPE, S., W ⁇ LFELSCHNEIDER, H., FIBER-FABRY-PEROT (FFP), THERMOMETER FOR MEDICAL APPLICATIONS, 2nd.
  • the measuring point shifts to B, ie the intensity I (h ⁇ ) takes on a value that is no longer equal to the minimum. If you now regulate the frequency and thus the wavelength so that the intensity also becomes a minimum at X2 even with this deflection of the membrane, namely at point B ', then the change in wavelength, namely from ⁇ 1 to 2 or the frequency is a measure of the deflection A x of the membrane.
  • a circuit must therefore be set up in which the wavelength is constantly changed symmetrically around a certain mean value in such a way that it can be determined at which wavelength the intensity of the signal exactly has its minimum.
  • the mean value is then constant changing (wobbled) wavelength set. If the membrane is now deflected and consequently the minimum is shifted, the wavelength is readjusted until the intensity again reaches the minimum. Then the wavelength has been shifted from Ai to A2 and the changes in the wavelength can be used to calculate the deflection of the membrane and a circuit can be calibrated accordingly.
  • This measuring principle is known as wavelength tracking.
  • FIG. 7b A corresponding circuit is shown in FIG. 7b.
  • the pressure measuring head 10 is acted upon by light from a light source via the optical waveguide 11.
  • the light source is formed by a laser diode LD, from which the light is fed into the optical waveguide 11 via a colimator C, an optical isolator I, a focusing lens FL, and a coupler K and is fed from there to the pressure measuring head 10.
  • the reflected signal appears with a certain proportion, which is caused by the coupler K, on the optical waveguide section 111 and is fed there to a photodetector D, which detects the intensity of the light radiation.
  • the output signal of the photodetector D arrives at the amplifier V_ and from there to the phase difference amplifier PDV.
  • the current I (LD) which is supplied to the laser diode LD, is composed of three components, namely a preset current IQ, generated in the BIAS unit, and a regulated direct current component I Q , generated in the control unit CONTROL, and an AC component Iw / generated in
  • Wobbe generator WGEN This oscillates at 5 kHz, for example, and frequency modulates the optical frequency of the
  • Laser diode LD emitted light. This frequency modulation and thus the change in the wavelength of the optical radiation with which the pressure measuring head 10 is excited is converted into an intensity modulation of the intensity signal detected at the photodetector D at a certain deflection ⁇ x of the membrane 13 of the pressure measuring head 10.
  • the modulation-returning component of the light radiation detected in the detector D is filtered out by the bandpass filter BPF.
  • the phase difference amplifier PDF the phase difference amplifier PDF
  • Wobbe generator WGEN determined. If the output signal of the phase difference amplifier PDV goes through zero, then the intensity of the reflected radiation passes through a minimum (e.g. at A or at B 'in FIG. 7a). The goes accordingly
  • the voltage Ui n is fed to the control unit CONTROL, which in turn contains the DC component I c of the current supplied to the laser diode LD and thus the
  • Laser diode LD therefore depends on the direct current (IQ + Ic), which leads to a voltage drop across resistor R.
  • Amplifier V2 amplifies and gives an output signal Uj, which is a measure of the wavelength of the laser diode and can therefore be calibrated as a function of the deflection ⁇ x of the membrane 13 of the pressure measuring head 10.
  • the configuration of the fiber optic pressure sensor according to the invention is not limited to the embodiments described above. From the above description of the structure and the mode of operation of the individual system components of the fiber-optic pressure sensor, the person skilled in the art can clearly see which combinations of the individual system components he has to make in order to adapt the pressure measuring head based on the principle of a Fabry-Perot interferometer to the intended use desired by him.

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Abstract

Beschrieben wird ein faseroptischer Drucksensor, mit einem Druckmeßkopf (10), der ein Gehäuse (12) aufweist, in dem eine als Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung ausführende Membran (13) aufgenommen ist, deren Membraninnenseite (13') mit einer hochreflektierenden Verspiegelung (14) versehen ist, und mit einem Lichtwellenleiter (11), dessen Stirnfläche (11') auf die hochreflektierende Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') ausgerichtet ist und über den von einer Lichtquelle (31) emittiertes Licht in den Druckmeßkopf (10) eingespeist wird. Dabei ist vorgesehen, daß die Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') und die Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) orthogonal zu einer optischen Achse (15) des Lichtwellenleiters (11) verlaufen, und daß die Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) teilreflektierend ausgeführt ist, so daß durch die hochreflektierende Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') und durch die teilreflektierende Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird.

Description

Titel: Faseroptischer Drucksensor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Drucksensor, mit einem Druckmeßkopf, der ein Gehäuse aufweist, in dem eine als Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung ausführende Membran aufgenommen ist, deren Membraninnenseite mit einer hochreflektierenden Verspiegelung versehen ist, und mit einem Lichtwellenleiter, dessen Stirnfläche auf die hochreflektierende Verspiegelung der Membraninnenseite ausgerichtet ist, und über den von einer Lichtquelle emittiertes Licht in den Druckmeßkopf eingespeist wird. Z Ein derartiger faseroptischer Drucksensor ist bekannt. In dem mit der Membran versehenen Gehäuse ist außer dem o.g., als
Eingangs-Lichtwellenleiter fungierende Lichtwellenleiter ein weiterer, als Ausgangs-Lichtwellenleiter wirkender
Lichtwellenleiter angeordnet. Hierbei ist vorgesehen, daß die optischen Achsen dieser beiden Lichtwellenleiter zu der reflektierenden Membraninnenseite geneigt sind. Das aus der
Stirnfläche des Eingangs-Lichtwellenleiters austretende Licht wird an der Innenseite der Membran reflektiert und anschließend vom Ausgangs-Lichtwellenleiter aufgenommen und zu einem Detektor geleitet. Bei einer Druckbeaufschlagung der
Membran wölbt sich diese nach innen, wodurch der
Einfallswinkel der aus dem Eingangs-Lichtwellenleiter austretenden Lichtstrahlen auf der Membran verändert wird.
Diese Änderung des Einfallswinkels bewirkt eine Änderung des
Reflektionswinkels und somit eine Verringerung der den
Ausgangs-Lichtwellenleiter erreichenden Lichtmenge. Das ratiometrische Verhältnis der in dem
Eingangs-Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtintensität und der vom Ausgangs-Lichtwellenleiter aufgenommenen Lichtmenge stellt ein Maß für den auf die Membran einwirkenden Druck dar.
Dieser bekannte faseroptische Drucksensor besitzt den Nachteil, daß die Intensität des reflektierenden Lichts sich bei einer kleinen Hubbewegung der Membran nur unwesentlich ändert, so daß nur große Druckänderungen einigermaßen genau erfaßbar sind. Außerdem gelangen nicht nur direkt an der Membran reflektierte Lichtstrahlen in den
Ausgangs-Lichtwellenleiter: Die durch diffuse Reflexion in den
Ausgangs-Lichtwellenleiter gelangenden Lichtstrahlen verfälschen das Meßergebnis. Desweiteren wird die
Meßgenauigkeit dieses faseroptischen Drucksensors durch die fehlende Streckenneutralität des konstruktiven Aufbaus verschlechtert: Die Intensität des Lichts ist in nachteiliger
Art und Weise auf seiner optischen Übertragungsstrecke von der
Lichtquelle zum optoelektronischen Detektor Schwankungen unterworfen, die einerseits durch ein Verbiegen des
Lichtwellenleiters, andererseits durch mangelhafte
Verbindungen der Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle bzw. mit dem optoelektronischen Detektor zustande kommen. Diese konstruktions- und systembedingten Fluktuationen der
Lichtintensität verringern die Zuverlässigkeit und die
Meßgenauigkeit dieses bekannten intensitätsmodulierten faseroptischen Drucksensors beträchtlich.
Bei einem anderen bekannten faseroptischen Drucksensor sind in einem Gehäuse ein Eingangs- und ein
Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter fluchtend angeordnet. Zwischen den einander zugewandten Stirnflächen dieser Multimode-Lichtwellenleiter sind orthogonal zu deren gemeinsamen optischen Achse zwei Strichgitter gegeneinander verschiebbar angeordnet. Die Überkopplung des Lichts zwischen dem Eingangs-Multimode-Lichtwellenleiter und dem Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter erfolgt dabei über eine H
SELFOC-Gradientenlinse, derart, daß das Licht im Bereich der beiden Strichgitter parallel zur optischen Achse verläuft. Eines der beiden Strichgitter ist fest mit einer parallel zur optischen Achse verlaufenden, als Druckaufnehmer fungierenden Membran verbunden, deren durch eine Druckbeaufschlagung hervorgerufene Hubbewegung orthogonal zu dieser optischen Achse erfolgt. Das fest mit der Membran verbundene Strichgitter wird dadurch gegenüber dem fest im Gehäuse angeordneten zweiten Strichgitter verschoben. Dies bewirkt, daß die Lichttransmission durch die beiden Strichgitter verkleinert wird, wodurch sich die Intensität des vom Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiters aufgenommenen Lichtes verringert. In einer dem Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter nachgeschalteten Detektorelektronik wird die Intensität des vom Eingangs-Multimode-Lichtwellenleiter auf den Ausgangs-Multimode-Lichtwellenleiter übergekoppelten Lichts gemessen. Das ratiometrische Verhältnis von eingekoppelter und überkoppelter Intensität stellt dann ein Maß für den zu messenden Druck dar. Der mit diesem Drucksensor meßbare Druck beträgt maximal 7,5 kPa.
Ein weiterer bekannter faseroptische Drucksensor ist unter dem Begriff Faser-Fabry-Perot-Druckmeßsensor bekannt. Er besteht aus einem Stück Lichtwellenleiter, dessen Stirnfläche senkrecht zur optischen Achse des Lichtwellenleiters abgeschnitten sind. Eine Stirnfläche des Lichtwellenleiters ist poliert und teildurchlässig verspiegelt. Die andere r
Stirnfläche ist hochreflektierend ausgeführt. Das in den Faser-Fabry-Perot-Druckmeßsensor eingekoppelte Licht wird zwischen den als Spiegel wirkenden Stirnflächen des Lichtwellenleiters mehrfach reflektiert. Der Lichtwellenleiter stellt also einen optischen Resonator eines Vielstrahlinterferometers dar, in dem sich die vielfach reflektierten Teilwellen immer dann konstruktiv überlagern, wenn die optische Länge des Lichtwellenleiters ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlängen des eingekoppelten Lichts beträgt. Hingegen tritt destruktive Interferenz auf, wenn der Gangunterschied der Teilwellen ein ungeradzahliges Vielfaches der viertel Wellenlänge beträgt. Das dadurch entstehende Interferenzmuster wird von einem Detektor erfaßt. Eine Dehnung oder eine Stauchung des Lichtwellenleiters verändert die optische Länge desselben, wodurch simultan das Interferenzmuster verändert wird. Aus dieser Änderung des Interferenzmusters ist dann mittelbar über die Längenänderung des Lichtwellenleiters der zu messende Druck oder Zug ermittelbar. Ein Nachteil dieses bekannten Drucksensors besteht darin, daß sich die optische Länge der Faser sehr stark mit der Temperatur ändert. Die durch den Temperatureinfluß bewirkte Veränderung der optischen Länge des Faser-Fabry-Perot-Drucksensors übersteigt die durch Druck/Zug verursachte Längenänderung um ca. den Faktor 10, so daß bei diesem Druckmeßsensor erhebliche Temperaturkompersationen der Druckmeßergebnisse erforderlich sind. Die beschriebenen faseroptischen Drucksensoren besitzen den Nachteil, daß sie nur in einem bestimmten Druckbereich einsetzbar sind, dessen obere Grenze typischerweise den kPa-Bereich nicht überschreitet. Es ist deshalb nicht möglich, derartige faseroptische Drucksensoren bei der KunststoffVerarbeitung zur druckabhängigen Überwachung, Steuerung und Regelung von Kunststoffverarbeitungsmaschinen einzusetzen, bei denen dieser Parameter von äußester Wichtigkeit für die Produktion qualitätsgerechter Kunststoffteile ist. Bei diesen
Kunststoffverarbeitungsmaschinen treten äußerst hohe Druckbelastungen auf, die zum Teil größer als 2000 bar (200 MPa) sind. Die Druckmessung bei derartigen Maschinen wird außerdem noch dadurch erschwert, daß der Drucksensor einer hohen Temperaturbelastung (z.T. größer als 400βC) ausgesetzt ist, für welche die bekannten faseroptischen Drucksensoren nicht ausgelegt sind.
Zur Vermeidung dieser Nachteile stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen faseroptischen Drucksensor zu entwickeln, welcher eine einfache, aber dennoch exakte und zuverlässige Messung auch von hohen Drücken erlaubt. Außerdem soll gewährleistet sein, daß der erfindungsgemäße Drucksensor bei hohen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius einsetzbar ist. Eine weitere Anforderung an den erfindungsgemäßen Drucksensor besteht darin, daß er streckenneutral arbeiten soll. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Verspiegelung der Membraninnenseite und die Stirnfläche des Lichtwellenleiters orthogonal zu einer optischen Achse des Lichtwellenleiters verlaufen, und daß die Stirnfläche des Lichtwellenleiter teilreflektierend ausgeführt ist, so daß durch die hochreflektierende Verspiegelung der Membraninnenseite und durch die teilreflektierende Stirnfläche des
Lichtwellenleiters ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird, in dem das vom Lichtwellenleiter in den Fabry-Perot-Resonator eingekoppelte Licht an der hochreflektierenden Verspiegelung der Membraninnenseite zur teilreflektierenden Stirnfläche des Lichtwellenleiters reflektiert wird, und in dem dieses reflektierte Licht zu einem dem Reflektionskoeffizienten R der teilreflektierenden Stirnfläche des Lichtwellenleiters entsprechenden Anteil zur hochreflektierenden Verspiegelung der Membraninnenseite zurückgespiegelt wird, und in dem der verbleibende Anteil des von der hochreflektierenden Verspiegelung reflektierten Lichts durch die teilreflektierende Stirnfläche des Lichtwellenleiters transmittiert wird, und daß das aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte und in den Lichtwellenleiter transmittierte Licht aufgrund der im Fabry-Perot-Resonator statt indenden Vielstrahlinterferenz des eingekoppelten Lichts eine zeitliche Intensitätsverteilung aufweist, welche durch den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran bestimmt wird, und daß die Intensitätsverteilung des transmittierten Lichts in einer optoelektronischen Detektoreinrichtung registriert und in Θ einer Ansteuer- und Auswerteinrichtung ausgewertet wird.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in besonders einfacher Art und Weise ein faseroptischer Drucksensor geschaffen, der universell über einen weiten Druckbereich hinweg einsetzbar ist. Die Verwendung eines handelsüblichen Gehäuses und einer konventionellen Membran als Druckaufnehmer des erfindungsgemäßen Druckmeßkopfes des faseroptischen Drucksensors besitzt nicht nur den Vorteil einer kostengünstigen Herstellungsweise. Vielmehr erlaubt es der Einsatz dieser konventionellen Bauteile, deren für die Druckmessung wesentlichen Eigenschaften - z.B. die Abhängigkeit des Membranhubes von der Druckbeaufschlagung und die Temperaturabhängigkeit des E-Moduls der Membran - bekannt sind, die für den in Betracht gezogenen Druck- und/oder Temperaturbereich am besten geeignete Membran einzusetzen, ohne daß umfangreiche Eich- und Kalibrationsmessungen notwendig sind. Diese Rückgriffsmöglichkeit auf bekannte Membrane und bekannte Gehäuse stellt eine wesentliche Grundlage für den weiten, mit dem erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensor meßbaren Druckbereich dar, da fast alle, von den seither gebräuchlichen, nicht notwendigerweise faseroptischen Drucksensoren her bekannte Membrane einsetzbar sind, wodurch ein weiter Druckmeßbereich abgedeckt wird. Die durch die Druckbeaufschlagung hervorgerufene Hubbewegung der Membran kann in besonders vorteilhafter Art und Weise mit dem durch die hochreflektierende Verspiegelung der Membraninnenseite und die teilreflektierende Stirnfläche des Lichtwellenleiters gebildeten Fabry-Perot-Resonator hochauflösend erfaßt werden, wodurch eine hohe Präzision der Druckmessung erreicht wird. Die Auswertung des durch die Vielstrahlinterferenz der im Fabry-Perot-Resonator des erfindungsgemäßen Druckmeßkopfes hin- und herreflektierten Lichtstrahlen bewirkte Interferenzmuster erlaubt eine äußerste präzise Erfassung der durch die Druckbeaufschlagung der Membran hervorgerufenen Hubbewegung. Aufgrund der bekannten Beziehung zwischen dem Membranhub und den auf die Membran einwirkenden Druck wird durch diese interferometrische Längenmessung eine äußerst genaue Druckmessung erreicht, die in besonders vorteilhafter Art und Weise eine exakte druckabhängige Überwachung, Steuerung und Regelung von KunststoffVerarbeitungsmaschinen erlaubt. Die mit dem erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensor erzielbare Druckauflösung ist leicht dem gewünschten Einsatzzweck anpaßbar, das diese - von den Eigenschaften der als Druckaufnehmer verwendeten Membran abgesehen - im wesentlichen von der Wellenlänge des von der Lichtwelle emittierten kohärenten und monochromen Lichts bestimmt wird. Die rein digitale Erfassung der Intensitätsmaxima und Intensitätsminima des aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten und über den Lichtwellenleiter zur optoelektronischen Detektoreinrichtung geleiteten transmittierten Lichtintensität bewirkt in besonders vorteilhafter Art und Weise eine Streckenneutralität des faseroptischen Drucksensors, da die Meßergebnisse nicht lo durch Fluktuationen der Lichtintensität sowie durch die
Signalform der trans ittierten Lichtintensität negativ beeinflußt werden.
Der erfindungsgemäße faseroptische Drucksensor zeichnet sich nicht nur durch seinen universellen, besonders einfach auf verschiedenste Druckbereiche zu adaptierenden Aufbau aus. Zu dieser Universalität des Druckmeßbereiches tritt in besonders vorteilhafter Art und Weise noch ein besonders weiter Anwendungsbereich hinzu: So ist es z.B. möglich, den erfindungsgemäßen Drucksensor in elektrisch gestörten Systemen einzusetzen, da die hier verwendete nicht-metallische Faser-Übertragung der Meßergebnisse völlig immun gegen elektromagnetische Einstreuungen aller Art ist. Ein weiterer Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Drucksensors ist bei explosionsgefährdeten Anlagen, da die äußerst kleinen Leistungen, die zur Versorgung des Fabry-Perot-Resonators des Druckmeßkopfes ausreichen, eine gefahrlose Druckmessung direkt in hochexplosiver Atmosphäre erlauben. Allgemein ist festzustellen, daß sich der erfindungsgemäße faseroptische Drucksensor in "schwierigen" Umgebungen aller Art, wie sie z.B. durch chemisch agressive Stoffe, extreme Temperaturen, äußerst hoher Druck oder ionisierende Strahlungen bewirkt werden, universell einsetzbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen der hochreflektierenden Verspiegelung auf der II Membraninnenseite und der teilreflektierenden Stirnfläche des
Lichtwellenleiters im Fabry-Perot-Resonator ein optisches
System zur Fokussierung und/oder Faltung der im
Fabry-Perot-Resonator hin- und hergespiegelten Lichtstrahlen angeordnet ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß der von den
Lichtstrahlen zurückgelegte optische Weg verdoppelt oder vervielfacht wird, bevor das von der hochreflektierenden
Verspiegelung der Membraninnenseite reflektierte Licht wieder in den Lichtwellenleiter eintritt. Diese vorteilhafte
Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dann durch ein erhöhtes Auflösevermögen der interferometrischen Längenmessung aus, woraus eine vergrößerte Druckauflösung des erfindungsgemäßen Drucksensors resultiert.
Eine weiter vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die an der Membraninnenseite der Membran angebrachte hochreflektierende Verspiegelung und/oder die teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche des Lichtwellenleiters durch ein Aufdampfen und/oder Polieren eines vorzugsweise metallischen Substrats erzeugt wird. Zusätzlich kann noch vorgesehen sein, daß die Membran in ihrem der Stirnfläche des Lichtwellenleiters gegenüberliegendem Teil verstärkt ausgebildet ist, so daß die Verspiegelung der Membraninnenseite auch bei einem großen Membranhub stets planparallel zur teilreflektierenden Stirnfläche des Lichtwellenleiters verläuft. Die beschriebene Verspiegelung der Membraninnenseite und der Stirnfläche des Lichtwellenleiters bewirken in Verbindung mit der - ggf. erforderlichen - Verstärkung der Membran einen Fabry-Perot-Resonator aus, welcher sich durch seine hohe Resonatorgüte auszeichnet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die zur Einspeisung des von der Laser-Sendediode emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts in den Fabry-Perot-Resonator des Druckmeßkopfs verwendeten Lichtwellenleiter als Monomode-Lichtwellenleitern ausgebildet sind. Diese erfindungsgemäße Maßnahme besitzt den Vorteil, daß der Fabry-Perot-Resonator aufgrund der genau festgelegten Modenstruktur des eingekoppelten Lichts eine höhere Phasensensitivität aufweist, als dies bei der Verwendung von einfacheren Multimode-Lichtwellenleiter der Fall sein würde. Diese erhöhte Phasensensitivität der im Fabry-Perot-Resonator stattfindenden Vielstrahlinterferenz erhöht ihrerseits wiederum in besonders vorteilhafter Art und Weise die Druckauflösung des erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensors.
Der aus der monochromes und kohärentes Laserlicht emittierenden Lichtquelle und den über den Monomode-Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle verbundenen Druckmeßkopf bestehende faseroptische Drucksensor erlaubt eine zuverlässige und präzise Druckmessung, wenn der zeitliche Verlauf der Druckbeaufschlagung der Membran bekannt ist. Um in besonders vorteilhafter Art und Weise den zeitlichen Verlauf dieser Druckbeaufschlagung mit dem erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensor selbst erfassen zu können, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß zwischen die Lichtquelle und den Druckmeßkopf eine Codiereinrichtung geschaltet ist, welche das von der Lichtquelle emittierte monochrome und kohärente Laserlicht in zwei gegeneinander phasenverschobene und durch ihre Codierung diskriminierbare Teilstrahlen aufspaltet, welche über einen polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter dem Druckmeßkopf zugeführt werden. Die beiden codierten Teilstrahlen des Laserlichts werden anschließend in zwei getrennten Detektordioden der Detektoreinrichtung separat ausgewertet. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es besonders einfach möglich, zeitliche Fluktuationen der Druckbeaufschlagung der Membran präzise und zuverlässig zu erfassen. Hierbei ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Codiereinrichtung entweder durch eine integriert optischen Chip oder durch die dem integriert optischen Chip entsprechenden diskreten Bauelemente ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Codiereinrichtung einen Polarisationssteller und einen Phasenschieber aufweist, welcher sehr schnell modulierbar sind, so daß das in die Codiereinrichtung eingespeiste Laserlicht in einer vorgegebenen zeitlichen Sequenz nacheinander zwei verschiedene /y
Polerisationshauptrichtungen einnimmt. Eine derart aufgebaute Codiereinrichtung zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus, da die bei der oben beschriebenen Codiereinrichtung benötigten Richtkoppler und einer der beiden Polerisationssteller ersatzlos entfallen können. Vorteilhafterweise ist ferner vorgesehen, daß zum detektieren der transmittierten Intensität nur eine einzige optoelektronische Detektordiode nötig ist, welche entsprechend zeitlich koordiniert wird. Die optischen Signale der beiden Detektorzweige können somit in einer einzigen Detektordiode registriert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das von der Lichtquelle emittierte monochrome und kohärente Laserlicht einer Einseitenbandmodulation unterzogen wird und über Multimode-Lichtwellenleiter zum Druckmeßkopf geleitet wird. Diese Maßnahme erhöht die Auflösung der interferometrischen Längenmessung, so daß auch bei einer digitalen Erfassung und Auswertung der transmittierten Intensität eine Längen/Druckauflösung erreichbar ist, welche weitgehend mit einer alle Zwischenwerte der transmittierten Intensitätsverteilung erfassenden analogen Auswertemethode gleichwertig ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Infrarot-Temperaturmeßfühler im Druckmeßkopf integriert ist. Die zur Versorgung des IS"
Infrarot-Meßfühlers erforderliche Einspeisung von
Infrarot-Lichtstrahlung wird über einen separaten oder über den zur Einspeisung des Laserlichts in den Fabry-Perot-Resonator dienenden Lichtwellenleiter durchgeführt. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die zur exakten Erfassung der Druckbeaufschlagung der Membran erforderliche Temperaturkompensation der Druck-Meßergebnisse sehr präzise und sehr schnell durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß beim Einsatz des erfindungsgemäßen Drucksensors mit integrierten Temperaturmeßfühler bei Spritzguß-Extrusionsmaschinen die Temperatur der mit der Membran in Berührung stehenden Kunststoffmasse leicht gemessen werden kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 die Systemkomponenten des Drucksensors,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Druckmeßkopfs des Drucksensors,
Figur 3 die Verteilung der transmittierten
Lichtintensität, Figur 4 einen integriert optischen Chip des
Druckmeßsensors,
Figur 5 die Verteilung der transmittierten
Lichtintensität bei der Verwendung von zwei phasenverschobenen und codierten Teilwellen,
Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des
Druckmeßkopfs des Drucksensors,
Figur 7a ein Diagramm zur Erläuterung eines weiteren
Meßverfahrens nach dem Prinzip der Wellenlängenachführung;
Figur 7b ein Blockschaltbild zur Ausführung des
Meßprinzips nach Figur 7a.
Der in Fig. 1 dargestellte faseroptische Drucksensor weist einen Druckmeßkopf 10 auf, welcher über einen Monomode-Lichtwellenleiter 11 mit einem integriert optischen Chip 20 verbunden ist. Dieser steht über einen weiteren Monomode-Lichtwellenleiter 31 mit einer
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 in Verbindung. Das von einer Laser-Sendediode 32 der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 abgegebene monochrome und kohärente Licht wird über den weiteren Monomode-Lichtwellenleiter 31 in den integriert optischen Chip 20 eingespeist. Die optoelektronischen /r- Detektordioden 33a und 33b der Licht-Sender/Empfängereinheit
30 sind über je einen Multimode-Lichtwellenleiter 34a und 34b mit Ausgängen 20a und 20b des integriert optischen Chips 20 verbunden. Die Licht-Sender/Empfängereinheit 30 ist über
Signalleitungen 41a-41c mit einer Ansteuer- und
Auswerteelektronik 40 verbunden. Desweiteren weist der faseroptische Drucksensor einen Temperaturfühler 50 auf, welcher über eine weitere Signalleitung 51 mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 verbunden ist.
Der faseroptische Druckmeßkopf 10 ist in Fig. 2 näher dargestellt. An der Stirnseite eines Gehäuses 12 des faseroptischen Druckmeßkopfs 10 ist eine Membran 13 angebracht, welche als Druckaufnehmer fungiert. Bei einer Belastung der Membran 13 mit einem gewissen Druck p wölbt sich die Membran 13 unter dieser Druckbeaufschlagung in den Innenraum 12' des Gehäuses 12. Das Gehäuse 12 und die Membran 13 des faseroptischen Drucksensors 10 sind handelsübliche Bauteile, wie sie in bekannten, nicht notwendigerweise faseroptischen Drucksensoren zur Druckmessung Verwendung finden. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, bei der Realisierung des beschriebenen Druckmeßkopfes 10 auf bekannte und bewährte Druckmeß-Membrane zurückzugreifen, deren mechanische Eigenschaften (thermische Ausdehnung, E-Modul des Membranmaterials, Zusammenhang zwischen Druckbeaufschlagung und Hub) für den interessierenden Druck- und/oder Temperaturbereich gut bekannt sind. Außerdem verbilligt die Verwendung bekannter Gehäuse und Membrane den Aufbau des beschriebenen Druckmeßkopfes 10 beträchtlich, da keine aufwendige Neuentwicklung der Membran 13 und des Gehäuses 12 notwendig ist.
Wesentlich ist nun die Ausgestaltung der im Innenraum 12 ' des Gehäuses 12 befindlichen Membraninnenseite 13' der Membran 13. Diese ist - zumindest in ihrem einer Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11 (s.u.) gegenüberliegenden Teil - mit einer hochreflektierenden Verspiegelung 14 versehen, welche bspw. durch Aufdampfen und/oder Polieren einer Gold¬ oder Silberschicht erreicht wird. Außerdem ist es möglich, bei einem geeignet gewählten Membran der Membraninnenseite 13 ' auf das Aufdampfen und/oder Polieren der Gold- oder Silberschicht zu verzichten, wenn der Reflexionskoeffizient R dieses Membranmaterial zur Erzielung der entsprechenden Resonatorgüte ausreicht. Außerdem ist wichtig, daß sich der verspiegelte Teil der Membran 13 bei einer Druckbeaufschlagung linear nach innen bewegt, d.h. daß die Verspiegelung 14 auf der Membraninnenseite 13' bei der durch die Druckbeaufschlagung ausgelösten Hubbewegung der Membran 13 orthogonal zur optischen Achse 15 des Monomode-Lichtwellenleiters 11 bleibt. Diese Forderung ist bei den bekannten zur Druckmessung verwendeten Membrane hinreichend erfüllt. Bei speziellen Anwendungszwecken, welche z.B. den Einsatz einer Flachmembran mit kleinem Innendurchmesser und großem Hub im Zentrum der Membran erfordern, kann vorgesehen sein, daß - um die Orthogonalität der Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13' zur optischen Achse 15 zu gewährleisten - der entsprechende Teil der Membran 13 verstärkt wird, so daß auch bei diesen Bedingungen die Verspiegelung 14 währen der Hubbewegung der Membran 13 orthogonal zur optischen Achse 15 des Lichtwellenleiters 11 verläuft.
Dem Fachmann ist bekannt, daß der Ausdruck "hochreflektierend" bei der Bezeichnung der Reflexionseigenschaften der Verspiegelung 14 nicht dahingehend zu verstehen ist, daß damit ein Reflexionskoeffizient der Verspiegelung 14 gemeit ist, der in der Größenordnung von eins liegt. Vielmehr ist es dem Fachmann bekannt, daß wie er den Reflexionskoeffizienten der Verspiegelung 14 zu wählen hat, damit eine dem gewünschten Einsatzzweck entsprechende Resonatorgüte des Fabry-Perot-Resonators erreicht wird.
Der Monomode-Lichtwellenleiter 11 ist im der Membran 13 gegenüberliegenden Teil des Gehäuses 12 angeordnet. Hierbei ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Um antelung 11a des Monomode-Lichtwellenleiters 11 durch eine gegen hohe Temperaturen widerstandsfähige Verklebung 16 im Gehäuse 12 befestigt ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß der beschriebene Drucksensor auch bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, da der Monomode-Lichtwellenleiter 11 auch bei derartigen Temperaturen sicher im Gehäuse 12 des faseroptischen Druckmeßkopfs 10 gehalten wird. Z O
Wesentlich an der Anordnung des polarisationserhaltenden
Monomode-Lichtwellenleiters 11 im Gehäuse 12 des faseroptischen Drucks 10 ist, daß seine Stirnfläche 11' orthogonal zur optischen Achse 15 des
Monomode-Lichtwellenleiters 11 steht und somit parallel zur Verspiegelung an der Membraninnenseite 13' der Membran 13 verläuft. Die in einem Abstand von - vorzugsweise - ca. 1/100 bis 10 mm von der Membraninnenseite 13' entfernte Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11 ist teilreflektierend verspiegelt ausgeführt, wobei diese teilreflektierende Verspiegelung in an sich bekannter Weise durch ein Aufdampfen und Polieren eines geeigneten - vorzugsweise metallischen - Substrats erreicht wird. Durch diese Verspiegelung der Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11 wird erreicht, daß die vom Monomode-Lichtwellenleiter 11 her auf die Stirnfläche 11' auftreffenden Lichtstrahlen des von der Lichtquelle (Laser-Senderdiode 32) der
Licht-Sender/Empfängereinheit 30 emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts im wesentlichen ungedämpft durch diese teilreflektierende Stirnfläche 11' hindurchtreten und anschließend zur hochreflektierenden Verspiegelung 14 gelangen. Im Gegensatz dazu steht das optische Verhalten der Stirnfläche 11' für Lichtwellen, die von der Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13' reflektiert wurden und aus dieser Richtung auf die Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11 auftreffen: Die teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11 bewirkt, daß nur ein gewisser Anteil des auf die Stirnfläche 11' einfallenden Lichtes wieder in Richtung der Membran 13 reflektiert wird. Diese vom Reflexionskoeffizienten R abhängige Licht-Anteil läuft zur Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13' zurück und gelangt nach einer erneuten Reflexion zur Stirnfläche 11' , etc. Der nicht reflektierte Anteil 1-R des auf die Stirnfläche 11' auftreffenden Lichtes wird durch diese transmittiert und anschließend vom Monomode-Lichtwellenleiter 11 zum integriert optischen Chip 20 geleitet.
Durch die hochreflektierende Verspiegelung 14 des der Stirnfläche 11' des polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiters 11' gegenüberliegenden Teils der Membraninnenseite 13' der Membran 13 und durch die teildurchlässige, teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche 11' wird in besonders einfacher Art und Weise ein Resonator eines Fabry-Perot-Interferometers geschaffen, welcher eine hochauflösende Erfassung des durch die Druckbeaufschlagung bewirkten Hubes der Membran 13 und somit eine äußerst präzise Messung des auf die Membran 13 einwirkenden Druckes p ermöglicht: Durch die vorher beschriebenen Vielfachreflexionen der in dem durch die teilreflektierenden Stirnfläche 11' und die hochreflektierende Verspiegelung 14 gebildeten Fabry-Perot-Resonator hin- und herlaufenden monochromen und kohärenten Lichtstrahlen tritt eine Vielstrahlinterferenz auf, welche das bekannte, eingangs bereits beschriebene Interferenzmuster ausbildet. Die aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte und in den polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 11 trans ittierte Lichtwelle weist eine Intensitätsverteilung auf I-t, deren Gesetzmäßigkeit durch die bekannte Formel von G.B.Airy festgelegt wird:
It = WU + 4R(sin(2 • L0/l)/(l-R))2).
In dieser Gleichung wird die über den
Monomode-Lichtwellenleiter 11 in den Fabry-Perot-Resonator eingekoppelte Lichtintensität mit IQ bezeichnet, und die Variable R steht für den Reflexionskoeffizienten der teilreflektierenden Stirnfläche 11'. Wie es sich aus dieser Gleichung ergibt, wird die Intensität des transmittierten Lichts I im wesentlichen durch den Quotienten aus der optischen Weglänge LQ (optische Weglänge LQ = geometrischer Abstand L zwischen der Verspiegelung 14 und der Stirnfläche 11' multipliziert mit dem Brechungsindex n des zwischen diesen beiden Endspiegeln des Fabry-Perot-Resonators befindlichen Mediums) und der Wellenlänge 1 des von der Laser-Sendediode 32 emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts bestimmt. Man erkennt, daß die Intensität I-j- des aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten und in den Monomode-Lichtwellenleiter 11 transmittierten Laserlichts minimal ist, wenn die optische Länge LQ dieses Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge 1 des kohärenten, monochromen Laserlichts ist. Im Gegensatz dazu ist die Intensität des transmittierten Lichts maximal, wenn die optische Länge des Fabry-Perot-Resonators ein ungeradzahliges
Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge 1 des verwendeten
Laserlichts beträgt. Wesentlich für das Verständnis des nachfolgend beschriebenen Meßprinzips des faseroptischen
Drucksensors ist die aus der oben beschriebenen Verteilung der
Maxima und Minima der transmittierten Lichtintensität folgende
Eigenschaft, daß sich bei einer Verringerung (Vergrößerung) der optischen Länge LQ des Fabry-Perot-Resonators um eine viertel Wellenlänge 1 des verwendeten monochromen und kohärenten Laserlichts ein Minimum (Maximum) der aus dem
Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten und in den
Lichtwellenleiter transmittierten Lichtwelle in ein Maximum
(Minimum) übergeführt wird.
Das Meßprinzip des faseroptischen Drucksensor ist nun wie folgt: Wird auf der Membran 13 der Druck p beaufschlagt so verschiebt sich diese samt der auf der Membraninnenseite 13' aufgebrachten hochreflektierenden Verspiegelung 14 in Richtung der Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11. Dies bedeutet aber, daß die optische Länge LQ des Fabry-Perot-Resonators verringert wird, wodurch sich eine Änderung in der Intensitätsverteilung I der in den Monomode-Lichtwellenleiter 11 transmittierten Lichtmenge ergibt. Eine typische Intensitätsverteilung It des transmittierten Lichts ist in Fig. 3 dargestellt. Auf der Abszisse des in dieser Figur enthaltenen Diagramms ist in willkürlichen Einheiten der zeitliche Verlauf der Hubbewegung der Membran 13 aufgetragen. Auf der Ordinate des Diagramms ist die auf die in den Fabry-Perot-Resonator eingespeiste Lichtintensitat IQ normierte Verteilung der transmittierten Lichtintensität It aufgetragen. Die in Fig. 3 gezeigte Kurve 1 stellt dann die von einer Detektordiode 33a der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 registierte Lichtmenge dar. Da es die aus dem Prinzip der interferometrischen Längenmessung basierende Druckmessung nur erlaubt, eine Relativmessung des die Membran 13 beaufschlagenden Druckes p zu erfassen, wird angenommen, daß der faseroptische Drucksensor zuvor derart geeicht wurde, daß der Ruhestellung der Membran 13 (Nullpunkt des Diagramms der Fig. 3) ein gewisser, genau definierter Referenzdruck zugeordnet wird. Bei der Erläuterung des Meßprinzips wird an dieser Stelle - ohne die Allgemeinheit der folgenden Überlegungen zu beschränken - angenommen, daß bei einer Druckbeaufschlagung der Membran 13 mit dem der Eichung des faseroptischen Drucksensors 10 zugrundeliegenden Referenzdruckes die transmittierte Intensität ein Minimum MIO aufweist. Dem Fachmann wird aus den nachfolgenden Überlegungen klar ersichtlich, wie er zu verfahren hat, wenn diese Voraussetzung nicht erfüllt ist, d.h. wenn beim Referenzdruck die transmittierte Intensität kein Minimum aufweist:
Wird die Membran 13 nun mit dem Druck p beaufschlagt, so wird eine Hubbewegung der Membran 13 ausgelöst. Die optische Länge 2r LQ des Fabry-Perot-Resonators verringert sich dementsprechend kontinuierlich. Die Hubbewegung der Membran 13 endet, wenn sich die durch die Druckbeaufschlagung hervorgerufenen, auf die Membran einwirkenden Kräfte und die durch die Hubbewegung vergrößerte Membranspannung das Gleichgewicht halten.
Beträgt nun - der oben getroffenen Annahme über den Referenzdruck und die Intensität der transmittierten Lichtmenge folgend - der Membranhub ein Viertel der Wellenlänge des kohärenten und monochromen Laserlichts, so registriert die Licht-Sender/Empfängereinheit 30 ein erstes Maximum MAI der transmittierten Intensität. Nach einer weiteren Verschiebung der Membran 13 von einer viertel Wellenlänge 1 wird ein erstes Minimum MIl der transmittierten Intensität registriert. Nach einem weiteren Membranhub von einer viertel Wellenlänge 1 wird ein zweites Maximum MA2 der Intensitätsverteilung in der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 registriert, etc.
Dem Fachmann ist aus obiger Beschreibung nun sofort das Meßprinzip des faseroptischen Drucksensors 10 ersichtlich: Die auf einer interferometrischen Längenmessung basierende digitale Druckmessung erfolgt derart, daß von der in den optoelektronischen Detektordioden 33a, 33b der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 registrierten Intensitätsverteilung des transmittierten Lichts in der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 nur die Maxima und/oder die Minima der transmittierten Lichtintensität ausgewertet werden. Durch ein einfaches Abzählen der bei einer Hubbewegung der Membran 13 auftretenden, derart "digitalisierten" Maxima und/oder Minima ist es in einfacher Art und Weise möglich, die Hubbewegung der Membran 13 mit einer Genauigkeit von einer viertel Wellenlänge 1 des verwendeten kohärenten und monochromen Laserlichts zu bestimmen. Aus der bekannten Beziehung zwischen dem die Membran 13 beaufschlagenden Druck p und der dadurch ausgelösten Hubbewegung dieser Membran 13 ist es direkt möglich, den Druck p zu berechnen. Die mit dieser digitalen Auswertemethode erzielbare Genauigkeit beträgt - bei einer gleichzeitigen Erfassung der Maxima und der Minima der transmittierten Intensitätsverteilung ein Viertel der Wellenlänge 1 des von der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 emittierten kohärenten und monochromen Laserlichts. Ist nur eine geringere Längen- und somit Druckauflösung erforderlich, so ist es ausreichend, entweder die Maxima oder die Minima der transmittierten Intensitätsverteilung zu erfassen. Die Längen/Druckauflösung beträgt dann eine halbe Wellenlänge 1 des verwendeten kohärenten und monochromen Laserlichts.
Der faseroptische Drucksensor zeichnet sich durch seine Streckenneutraltität aus. In der dem
Monomode-Lichtwellenleiter 11 nachgeschalteten Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 werden nur die Minima und die Maxima der Intensitätsverteilung der transmittierten Lichtmenge registriert, so daß Intensitätsschwankungen - wie sie z.B. 21- durch unterschiedliche Übertragungsstreckenlängen oder der
Alterung der Lichtwellenleiter und/oder der Laserdiode auftreten - auf die Meßgenauigkeit keinen Einfluß haben.
Außerdem ist bei dieser digitalen Erfassung von Vorteil, daß die erzielbare Meßgenauigkeit in weiten Grenzen unabhängig von der Signalform und von der Güte des Fabry-Perot-Resonators ist.
Es ist natürlich ebenfalls möglich, mit einer entsprechend ausgebildeten optoelektronischen Detektoreinrichtung und einer geeigneten Auswerteelektronik die gesamte
Intensitätsverteilung des transmittierten Lichts analog zu erfassen und die erfaßte Intensitätsmodulation des transmittierten Lichts gemäß der durch die Airy-Formel gegebenen Verlauf der Zwischenwerte zwischen einem Maximum und einem Minimum in eine Längenänderung des Fabry-Perot-Resonators umzurechnen und daraus die Druckbeaufschlagung der Membran 13 zu ermitteln. Desweiteren ist es möglich, die registrierte Intensitätsverteilung quasi digital auszuwerten, d.h. die Intensitätsänderung in diskreten Schritten zu erfassen.
Zur weiteren Erhöhung der Druckauflösung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß im Fabry-Perot-Resonator zwischen der Verspiegelung 14 und der Stirnfläche 11' ein optisches System zur Fokussierung und/oder Faltung der im Faby-Perot-Resonator hin und herreflektierten Lichtstrahlen angeordnet ist. Diese Maßnahme bewirkt, daß der optische Weg verdoppelt oder vervielfacht wird, den die Lichtstrahlen zurücklegen, bevor sie wieder in den Lichtwellenleiter 11 eintreten. Dieses optische System wurde - aus Gründen der Übersichtlichkeit - in Fig. 2 nicht dargestellt. Es ist dem Fachmann aber bekannt, wie ein derartiges bekanntes optisches System zur Fokussierung und Faltung im Fabry-Perot-Resonator auszubilden und anzuordnen ist.
Der aus der als Lichtquelle fungierenden, ein monochromes und kohärentes Laserlicht emittierenden Laser-Sendediode 32 und aus dem über den Monomode-Lichtwellenleiter 11 mit der Lichtquelle verbundenen Druckmeßkopf 10 bestehende faseroptische Drucksensor erlaubt eine zuverlässige und präzise Druckmessung, wenn der zeitliche Verlauf der Druckbeaufschlagung bekannt ist: Denn mit dem obigen Meßprinzip des faseroptischen Drucksensors ist es noch nicht möglich, eine Richtungsumkehr der Membran 13 zu erkennen, d.h. es ist nicht möglich, zu entscheiden, ob der Druck p zu- oder abnimmt. Diese mangelnde Richtungssensitivität des interferometrischen Druckmeßverfahrens ist aus dem in Fig. 3 enthaltenen Diagramm ersichtlich: Es wird angenommen, daß die Membran 13 nach einer Auslenkung um den Abstand X ihre Gleichgewichtslage einnimmt. Bei der darauffolgenden Abnahme des die Membran 13 beaufschlagenden Druckes p vergrößert sich wiederum der Abstand zwischen der Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13' und der Stirnfläche 11' des Monomode-Lichtwellenleiters 11 und somit die optische Länge LQ des Fabry-Perot-Resonators. Aufgrund der durch die Airy-Formel gegebenen sin2-Abhängigkeit der transmittierten Intensität vom Quotienten aus der optischen Länge LQ und der Wellenlänge R ist es der digital arbeitenden, nur auf Maxima und Minima ansprechenden Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 nicht möglich, festzustellen, ob das registrierte Minimum MIX der in Fig. 3 dargestellten Verteilung der transmittierten Lichtintensität einer Vergrößerung des Druckes p oder einer Verkleinerung desselben entspricht.
Aus diesem Grund ist in besonders vorteilhafter Art und Weise vorgesehen, daß in den faseroptischen Druckmeßkopf 10 zwei gegeneinander phasenverschobene Teilstrahlen des kohärenten und monochromen Laserlichts eingespeist werden. Um diese phasenverschobenen Wellenzüge diskriminieren zu können, ist es erforderlich, diese zu codieren. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Codierung dieser beiden Teilstrahlen des von der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 emittierten Laserlichts besteht darin, die beiden Teilstrahlen unterschiedlich - vorzugsweise senkrecht aufeinander - linear zu polarisieren und dann die Intensitäten der beiden unterschiedlich codierten (polarisierten) Teilstrahlen getrennt auszuwerten. Eine weitere Möglichkeit der Codierung besteht in der Verwendung eines links- und eines rechtszirkular polarisierten TeilStrahls. 3° Mit diesem weiter unter noch eingehend beschriebenen Verfahren erhält man eine eindeutige Richtungser ennung der Hubbewegung der Membran 13, die eine eindeutige Klassifizierung der
Zunahme oder der Abnahme des Druckes p ermöglicht. Diese
Codierung durch die Polarisation der beiden Teilstrahlen wird im integriert optischen Chip 20 durchgeführt. Um die von dem als Codiereinrichtung wirkenden integriert optischen Chip 20 polarisierten Laserstrahlen in den Druckmeßkopf 10 einspeisen zu können, ist es in diesem Fall erforderlich, den
Lichtwellenleiter 11 als polarisationserhaltenden
Lichtwellenleiter auszubilden.
In Fig. 4 ist der integriert optische Chip 20 dargestellt. Der von der Sender-Laserdiode 32 emittierte, vom weiteren Monomode-Lichtwellenleiter 31 zum integriert optischen Chip 20 geleitete kohärente Laserstrahl wird in einem ersten Richtkoppler 21a in zwei Teilstrahlen aufgespaltet, welche je einen optischen Zweig 22a und 22b des integriert optischen Chips 20 durchlaufen. Im ersten optischen Zweig 22a ist ein erster Polarisationssteller 23a angeordnet, dessen bevorzugte Durchlaßrichtung (Polarisationshauptachse) um 90° gegenüber der Polarisationshauptsache des zweiten Polarisationsstellers 23b des zweiten optischen Zweiges 22b verdreht ist. Nach dem Passieren des Polarisationsstellers 23a bzw. 23b weist der im Zweig 22a bzw. 22b verlaufende Teilstrahl des kohärenten Laserlichts eine genau definierte Polarisation auf. Zusätzlich ist im ersten Zweig 22a ein Phasenschieber 24 vorgesehen, der eine Phasenverschiebung des polarisierten
Laserlichts des ersten Zweiges 22a gegenüber dem polarisierten
Laserlichts des zweiten Zweiges 22b erzeugt. Hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß die mit dem
Phasenschieber 24 erzeugbare Phasenverschiebung variabel ist.
Desweiteren kann vorgesehen sein, daß der Phasenschieber 24 zusätzlich zur Phasenverschiebung eine elektrische Modulation des im ersten Zweig 22a befindlichen kohärenten Laserlichts durchführt.
In einem polarisationserhaltenden zweiten Richtkoppler 21b des integriert optischen Chips 20 werden die beiden kohärenten, zueinander orthogonal polarisierten und gegeneinander phasenverschobenen Teilstrahlen der beiden optischen Zweige 22a und 22b wieder überlagert und gelangen über den Monorco e-Lichtwellenleiter 11 zum Druckmeßkopf 10.
Das aus dem interferometrischen Fabry-Perot-Drucksensors 10 ausgekoppelte und über den polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 11 zum integriert optischen Chip 20 zurückgeführte Laserlicht wird in einem polarisationserhaltenden dritten Richtkoppler 21c in zwei optische Detektorzweige 25a und 25b aufgespalten. In jedem optischen Detektorzweig 25a und 25b ist ein Depolarisator 26a, 26b angeordnet. Der erste und der zweite Depolarisator 26a und 26b des ersten und des zweiten Detektorzweiges 25a und 25b dient jeweils dazu, das aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte, zwei verschiedene Polarisationsrichtungen aufweisende Licht derart aufzuspalten, daß in der dem jeweiligen Depolarisator 26a, 26b nachgeschalteten, über je einen Multimode-Lichtwellenleiter 34a, 34b mit den Ausgängen
20a und 20b des integriert optischen Chips 20 verbundenen optoelektronischen Detektordiode 33a, 33b (s. Fig. 1) jeweils nur die von einer Polarisationsrichtung (Codierung) herrührenden transmittierten Intensität registrieren. Diese
"Decodierung" der beiden simultan in aus dem
Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten, gegeneinander phasenverschobenen Teilstrahlen erfolgt durch die unterschiedliche Durchlaßcharakteristik der beiden
Depolarisatoren 26a und 26b: Einer der beiden Depolarisatoren
26a, 26b ist derart eingestellt, daß er nur Lichtstrahlen durchläßt, die eine der Polarisationshauptsache des
Polarisationsstellers 25a bzw. 25b entsprechende
Polarisationsrichtung aufweisen. Analog dazu läßt der andere der beiden Depolarisatoren 26b bzw. 26a nur Lichtstrahlen durch, welche eine dem anderen Polarisationssteller 25b bzw.
25a entsprechende Polarisationsrichtung aufweist.
Das Funktionsprinzip des zwei polarisierte Teilstrahlen verwendenden Drucksensors wird im folgenden anhand der Fig. 5 erläutert: Das in Fig. 5 dargestellte Diagramm zeigt - analog wie die Fig. 3 - das zeitliche Verhalten der aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelten Intensität: Auf der Abzisse des Diagramms ist der zeitliche Verlauf der in den Detektordioden 33a bzw. 33b registrierten Lichtintensität dargestellt. Auf der Ordinate des Diagramms der Fig. 5 ist die auf die in den Fabry-Perot-Resonator eingekoppelte Intensität IQ normierte Verteilung der transmittierten Intensität It aufgetragen. Die in Fig. 5 enthaltene, voll durchgezeichnet dargestellte Kurve 1 beschreibt die Verteilung der transmittierten Intensität des den zweiten optischen Zweig 22b des integriert optischen Chips 20 durchlaufenden Teilstrahls des Laserlichts, also desjenigen Teilstrahls, der im integriert optischen Chip 20 keine Phasenverschiebung erfährt. Das Interferenzverhalten dieses Teilstrahls des in den Fabry-Perot-Resonator eingekoppelten Laserlichts ist vollkommen identisch mit dem in Fig. 3 dargestellten Interferenzverhalten des an dieser Stelle eingehend beschriebenen Laserstrahls. Die oben angeführten Überlegungen sind hier in vollkommen analoger Art und Weise gültig, so daß auf eine Beschreibung der Kurve 1 der Fig. 5 verzichtet werden kann.
Die strichliert dargestellte Kurve 2 gibt die zeitliche Änderung der Interferenzmaxima und Interferenzminima des den ersten optischen Zweig 22a des integriert optischen Chips 20 durchlaufenden ersten Teilstrahl wieder, d.h. desjenigen Teilstrahls, welcher im integriert optischen Chip 20 eine Phasenverschiebung gegenüber dem zweiten Teilstrahl erleidet. Die Intensitätsverteilung des phasenverschobenen Teilstrahls ist aus der oben angeführten Gleichung leicht ableitbar, indem man dem Argument der im Nenner der Airy-Funktion auftretenden Sinus-Funktion die Phasenverschiebung hinzuaddiert. Man erkennt aus dem Diagramm der Fig. 5, daß die Interferenzmaxima und -minima des phasenverschobenen Teilstrahls - der gewählten Phasenverschiebung entsprechend - gegenüber den entsprechenden Interferenzmaxima und -minima des nicht phasenverschobenen Teilstrahls um ein gewisses Zeitintervall bis zum Umkehrzeitpunkt. X hinterhereilen. Die in der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 durchgeführte zeitliche Auflösung der individuell in den einzelnen Detektordioden 33a und 33b registrierten, durch ihre Codierung vom integriert optischen Chip 20 diskriminierbaren Teilstrahlen ist es nun möglich, die durch Druckfluktuationen oder ein Abnehmen des Druckes p hervorgerufene Umkehr in der Hubrichtung der Membran 13 festzustellen. Wesentlich dazu ist, daß - wie aus Fig. 5 klar ersichtlich ist - sich die zeitliche Abfolge der Intensitätsmaxima und -minima des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls umkehrt. Während die Intensitätsmaxima und Intensitätsminima des phasenverschobenen Teilstrahls den entsprechenden Intensitätsmaxima und Intensitätsminima des nicht phasenverschobenen Teilstrahls bei einer Bewegungsrichtung der Membran 13 zur Stirnfläche 11' des Lichtwellenleiters hin - also bei einer Verringerung der optischen Länge LQ des Fabry-Perot-Resonators nacheilen, treten die nach einer Richtungsumkehr der Membranbewegung - also bei einer durch die verringerte Auslenkung der Membran 13 hervorgerufenen Vergrößerung der optischen Länge LQ des Fabry-Perot-Resonators - die Intensitätsmaxima und Intensitätsminima des phasenverschobenen Teilstrahls zeitlich vor den entsprechenden Intensitätsmaxima und Intensitätsminima des nicht phasenverschobenen Teilstrahls auf. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 erfaßt diese zeitliche Änderung der relativen Phasenlage der transmittierten Intensitäten der einzelnen Teilstrahlen und berechnet dann - in einer dem Fachmann aus den obigen Ausführungen leicht ersichtlichen Art und Weise - aus dieser interferometrisch erfaßten Längen- und Richtungsumkehr den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung und damit - bei bekannter Beziehung zwischen Druckbeaufschlagung und Hubbewegung der Membran 13 - den an der Membran 13 angreifenden Druck p.
Der aus der Laser-Sendediode 32, den integriert optischen Chip 20, den mit dem integriert optischen Chip 20 über den polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 11 verbundenen Druckmeßkopf 10 und den beiden Detektordioden 33a und 33b der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 bestehende Drucksensor erlaubt es in besonders vorteilhafter Art und Weise, den die Membran 13 beaufschlagenden Druck p auch dann sicher und zuverlässig zu erfassen, wenn der Druckverlauf nicht bekannt ist und/oder Fluktuationen aufweist.
Eine alternative Ausführungsform des faseroptischen Drucksensors verwendet eine leicht modifizierte Version des integriert optischen Chips 20. Diese alternative Ausbildung dieses Bauteils des faseroptischen Drucksensors ist leicht aus der in Fig. 4 dargestellten Ausführung des integriert optischen Chips 20 ableitbar, so daß dieser alternativen Version keine eigene Zeichnung gewidmet wurde. Das wesentliche Merkmal dieser Ausführungsform des integriert optischen Chips 20 besteht darin, daß die Polarisationshauptrichtung des ersten Polarisationsstellers 23a sehr schnell elektrisch modulierbar ist, d.h. der den elektrisch modulierbaren ersten Polarisationssteller 23a durchlaufende Lichtstrahl wird in eine zeitliche Abfolge von Strahlsegmenten zerlegt, die alternierend eine unterschiedliche - vorzugsweise eine zueinander orthogonale oder in ihrem Drehsinn unterschiedliche - Polarisierung aufweisen. Durch eine derartige Codierung des von der Sender-Laserdiode 32 emittierten, über den Monomode-Lichtwellenleiter 31 zum integriert optischen Chip 20 geleiteten monochromen und kohärenten Laserlichts vereinfacht sich der Aufbau des integriert optischen Chips 20 und der Aufbau der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 beträchtlich: Da es der elektrische modulierbare erste Polarisationssteller 23a erlaubt, innerhalb des ersten Teilstrahls des ersten optischen Zweiges 22a zwei gegeneinander diskriminierbare Polarisationsrichtungen zu erzeugen, kann der zweite optische Zweig 22b des integriert optischen Chips 20 ersatzlos entfallen. Der Aufbau und somit die Herstellungskosten des integriert optischen Chips 20 werden dadurch drastisch reduziert, da der erste Richtkoppler 21a, der zweite 31- Richtkoppler 21b und der zweite Polarisationssteller 23b nicht mehr nötig sind.
Vorteilhafterweise kann ferner vorgesehen sein, daß die Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 derart ausgebildet ist, daß die von einer optoelektronischen Detektordiode 33a, 33b registrierte Verteilung der transmittierten Intensität zeitlich segmentiert aufgelöst werden kann. Mit anderen Worten: Der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 ist es möglich, zu erkennen, wie die in einer optoelektronischen Detektordiode 33a, 33b zu einem gewissen Zeitpunkt erfaßte Lichtintensität der einen oder der anderen
Polarisationsrichtung (Codierung) des Lichtstrahls zuzurechnen ist. Eine derartige Ausbildung der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 ermöglich es in besonders vorteilhafter Art und Weise, den Aufbau des integriert optischen Chips 20 und der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 weiter zu vereinfachen. Das zeitlich segmentiert arbeitende und damit die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des zur interferometrischen Längenmessung verwendeten Laserstrahls erfassende Auflösevermögen der Ansteuer- und Auswertelektronik 40 erlaubt es, nur mit einer einzigen optoelektronischen Detektordiode, z.B. der Detektordiode 33a, eine zuverlässige Druckmessung durchzuführen. Demzufolge kann die zweite Detektordiode 33b der Licht-Sender/Empfängereinrichtung 30 ersatzlos entfallen. Dies hat zur Konsequenz, daß dann auch der integriert optische Chip 20 einfacher und damit billiger auszuführen ist: Der zweite Detektorzweig 25b des integriert optischen Chips - und somit der dritte Richtkoppler 21c, der zweite Depolarisator 26b und der zweite
Mulitmode-Lichtwellenleiter 34b - werden nicht mehr benötigt und können daher entfallen.
Bei den obigen Ausführungen wurde davon ausgegangen, daß die Codiereinrichtung als integriert optischer Chip 20 ausgeführt ist. Es ist dem Fachmann aber klar ersichtlich, daß es ebenso möglich ist, die einzelnen Funktionseinheiten des integriert optischen Chips 20 als diskrete Bauelemente in konventioneller Technik auszuführen. Auf der anderen Seite ist es natürlich möglich, die Laser-Sendediode 32 und/oder die optoelektronischen Detektordioden 33a, 33b der Licht-Sender/Empfängereinheit 30 als integrale Bestandteile des integriert optischen Chips 20 auszubilden. Der dadurch entstehende, sowohl elektrisch wie auch optische Anschlüsse aufweisende integriert optische Chip besitzt den Vorteil, daß dieser direkt - d.h. vom Hersteller - fertig abgleichbar ist, wodurch sich der Aufbau des faseroptischen Drucksensors vereinfacht, was wiederum positive Auswirkungen auf die Herstellungskosten mit sich bringt.
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß das Auflösevermögen der interferometrischen Längenmessung und somit die Druckauflösung prinzipiell von der Wellenlänge des verwendeten monochromen und kohärenten Laserlichts bestimmt 33 wird. Zur Erhöhung der Auflösung der interferometrischen
Längenmessung kann in besonders vorteilhafter Art und Weise vorgesehen sein, daß durch eine Modulation der
Laser-Sendediode 32 eine Einseitenband-Modulation des von dieser emittierten Laserlichts stattfindet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, den Lichtwellenleiter 11 und den weiteren
Lichtwellenleiter 31 als Multimode-Lichtwellenleiter auszubilden. Durch eine derartige Maßnahme wird erreicht, daß
- auch bei einer digitalen Auswertung - die Auflösung des faseroptischen Drucksensors weitgehend gleichwertig mit einer analogen, die Zwischenwerte der Teilungskurven der transmittierten Intensität erfassenden Auswertemethode ist.
Das oben beschriebene, auf einer interferometrischen Erfassung der durch die Druckbeaufschlagung ausgelösten Hubbewegung der Membran 13 basierende Druckmeßverfahren ist von seinem Grundprinzip her nicht temperaturabhängig. Um jedoch eine exakte Zuordnung zwischen der gemessenen Längenänderung des Fabry-Perot-Resonators und der Druckbeaufschlagung der Membran 13 herstellen zu können, ist es erforderlich, sekundäre Temperatureffekte zu berücksichtigen: Durch die Temperaturbelastung des faseroptischen Druckmeßkopfs 10 ist es möglich, daß eine thermische Ausdehnung des Gehäuses 12 des Druckmeßkopfs 10 stattfindet. Außerdem verändert sich der E-Modul des Membranmaterials temperaturabhängig, d.h. der Hub der Membran ist - bei gleicher Druckbeaufschlagung - bei höheren Temperaturen größer. Außerdem ändert sich die optische o Länge LQ des Fabry-Perot-Resonators infolge der
Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes n des zwischen der
Verspiegelung 14 der Membraninnenseite 13' und der Stirnfläche
11' des Lichtwellenleiters 11 befindlichen Mediums. Der letztgenannte sekundäre Temperatureffekt ist leicht behebbar, in dem man vorsieht, daß das Gehäuse 12 des Druckmeßkopfs 10 evakuiert ist. Die beiden erstgenannten sekundären
Temperatureffekte erfordern es jedoch, die Temperatur der
Membran 13 und/oder die Temperatur des Gehäuses 12 zu erfassen und auf der Grundlage dieser Temperaturmessung eine
Temperaturkompensation der interferometrisch ermittelten
Längenänderung vorzunehmen.
Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß - wie aus Fig. 2 ersichtlich ist - der Druckmeßkopf 10 mit einem Temperaturfühler 50 ausgestattet ist, welcher über eine Signalleitung 51 mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik 40 verbunden ist. Dieser Temperaturfühler 50 kann als konventionell ausgebildetes Thermometer ausgeführt sein, mit dem die Temperatur der Membran 13 und/oder des Gehäuses 12 des faseroptischen Druckmeßkopfs 10 erfaßbar ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsart des Temperaturfühlers 50 besteht darin, daß der Druckmeßkopf 12 einen weiteren, in Fig. 2 nicht explizit dargestellten Lichtwellenleiter aufweist, mit dem eine Infrarotstrahlung in den Druckmeßkopf 10 einspeisbar ist. Ebenso kann vorgesehen sein, daß der Lichtwellenleiter 11 sowohl zur Versorgung'des Fabry-Perot-Resonators mit monochromen und kohärenten Laserlichts zur Druckmessung als auch zur Einspeisung einer Infrarot-Strahlung zur Infrarot-Temperaturmessung dient. Dem Fachmann ist der Aufbau und die Funktionsweise eines derartigen Infrarot-Temperaturmeßsystems bekannt, so daß auf eine weitergehende Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann. Ein faseroptischer Druckmeßkopf 10 mit einem derartigen Infrarot-Temperaturmeßsystem erlaubt nicht nur die einfache und zuverlässige Temperaturkompensation der über die interferometrische Längenmessung ermittelten Druckwerte. Vielmehr ist es in vorteilhafter Art und Weise möglich, über ein derartiges Infrarot-Temperaturmeßsystem auf die Temperatur des die auf die Außenseite der Membran 13 einwirkenden Mediums, z.B. des Kunststoffmaterials bei Extrusions- und Spritzgußmaschinen zu erfassen. Ein derartiger, gleichzeitig eine Druckmessung und eine Temperaturbestimmung des Kunststoffmaterials ermöglichender faseroptischer Drucksensor ist besonders vorteilhaft bei Spritzgieß- und Extrusions aschinen einsetzbar, da bei diesen - wie bereits eingangs erwähnt - die Überwachung dieser Parameter für eine qualitativ hochwertige Fertigung der Extrusions- und Spritzgießteile unerläßlich ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des beschriebenen Druckmeßkopfs 10 besteht darin, daß der die Infrarot— emperaturmessung erlaubende Infrarot-Lichtwellenleiter durch das Gehäuse 22 geführt wird und in einer - nicht dargestellten - Quarzlinse an der Vorderseite des Gehäuses 12 mündet. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß es ein derart ausgestalteter Druckmeßkopf 10 in besonders vorteilhafter Art und Weise nicht nur eine Druckmessung ermöglicht. Vielmehr erlaubt es der durch das Gehäuse 12 zur Quarzlinse führende und seine
Infrarot-Strahlung direkt in das zu messende Medium strahlende Infrarot-Lichtwellenleiter, simultan eine kombinierte Druck/Temperaturmessung durchzuführen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckmeßkopfes ist in der Fig. 6 dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel ist mit dem in Fig. 2 dargestellten und weiter oben eingehend beschriebenen Druckmeßkopf 10 weitgehend identisch, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden können.
Der wesentliche Unterschied zwischen diesen weiteren Druckmeßkopf 110 und dem oben beschriebenen Druckmeßkopf 10 besteht darin, daß der Druckmeßkopf 110 derart ausgeführt ist, daß der auf ihn einwirkende Druck p nicht direkt an der Membran 13 angreift.
Vielmehr ist in vorteilhafter Art und Weise vorgesehen, daß der Membran 13 ein in einer Hülse 17 geführter Kolben 18 vorgeschaltet ist. Der Kolben 18 verschiebt sich infolge des an seiner Stirnfläche 18' angreifenden Druckes p zur Membran 13 hin und bewirkt, daß diese - analog wie beim Druckmeßkopf 10 - eine Hubbewegung ausführt. Die Funktionsweise des Druckmeßkopfs 110 ist im weiteren vollkommen analog zur Funktionsweise des oben beschriebenen Druckmeßkopfes 10, so daß weitere Ausführungen an dieser Stelle überflüssig sind.
Die mittelbare, über den Kolben 18 erfolgende Druckbeaufschlagung der Membran 13 des Druckmeßkopfes 110 besitzt den Vorteil, daß die Membran 13 keiner so hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist, wie dies bei der Membran des Druckmeßkopfes 10 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des Druckmeßkopfes 110 besteht darin, daß es leicht möglich ist, diesen auch an schwer zugängliche Meßorte zu plazieren, da aufgrund der kompakten Ausbildung der Hülse 17 samt des in ihr aufgenommenen Kolbens 18 nur ein geringer Platzbedarf für den als Druckaufnehmer fungierenden Teil des Druckmeßkopfes 110 nötig ist.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß es, anstelle der oben beschriebenen Auswertung der erhaltenen Signale mit Hilfe eines optischen Chips, bereits zahlreiche bekannte Verfahren gibt, die hier auch angewendet werden können, um die Änderung der optischen Länge n • L (n = Brechungsindex des optischen Mediums, L = geometrische Länge) eines Fabry-Perot-Resonators in Größe und Richtung zu detektieren. Ein Verfahren sei im folgenden anhand der Figuren 7a und 7b näher beschrieben. Die Darstellung erfolgt in Anlehnung an die Literaturstelle KJ.ST,R., DROPE,S., WÖLFELSCHNEIDER,H., FIBER-FABRY-PEROT (FFP), THERMOMETER FOR MEDICAL APPLICATIONS, 2nd. INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL FIBER SENSORS (OFS) , STUTTGART, September 1984, S.165-170. Das Meßprinzip ergibt sich aus Figur 7a, in der die Intensität (I) des erhaltenen Signals über der Länge (X) der Auslenkung der Membran des optischen Resonators dargestellt ist. Bei zwei verschiedenen Wellenlängen
Figure imgf000046_0001
und Λ2 erhält man zwei unterschiedliche Kurven für die Intensität, nämlich I( λi) und I( X2). Es sei nun angenommen, die Wellenlänge \ . sei so bestimmt, daß die sich bei einer bestimmten Auslenkung der Membran x^ ergebende Intensität, im Punkt A, ein Minimum sei. Erfolgt nun eine gewisse Auslenkung der Membran um den Betrag Δx bis zum Punkt X2, so verschiebt sich der Meßpunkt nach B, d.h.die Intensität I( h ±) nimmt einen Wert an, der nicht mehr gleich dem Minimum ist. Regelt man nun die Frequenz und damit die Wellenlänge so ein, daß die Intensität auch bei dieser Auslenkung der Membran bei X2 wiederum ein Minimum wird, nämlich im Punkt B', dann ist die erfolgte Veränderung der Wellenlänge, nämlich von Λ 1 nach 2 bzw. der Frequenz ein Maß für die Auslenkung A x der Membran. Es ist also eine Schaltung aufzubauen, bei der die Wellenlänge um einen bestimmten Mittelwert herum symmetrisch ständig so verändert wird, daß festgestellt werden kann, bei welcher Wellenlänge exakt die Intensität des Signals ihr Miniumim hat. Auf diese Wellenlänge wird dann der Mittelwert der sich ständig verändernden (gewobbelten) Wellenlänge eingestellt. Erfolgt nun eine Auslenkung der Membran und demzufolge eine Verschiebung des Minimums, so wird die Wellenlänge wiederum nachgeregelt, so lange, bis die Intensität erneut das Minimum einnimmt. Dann ist die Wellenlänge von Ai nach A2 verschoben worden und aus der Änderungen der Wellenlänge kann auf die Auslenkung der Membran rechnerisch geschlossen und eine Schaltung entsprechend geeicht werden. Dieses Meßprinzip ist als Wellenlängen-Nachführung bekannt.
Eine entsprechende Schaltung zeigt Figur 7b. Der Druckmeßkopf 10 wird über den Lichtwellenleiter 11 von einer Lichtquelle mit Licht beaufschlagt. Die Lichtquelle wird durch eine Laserdiode LD gebildet, von der das Licht über einen Colimator C, einen optischen Isolator I, eine Fokussierlinse FL, und einen Koppler K in den Lichtwellenleiter 11 eingespeist und von dort dem Druckmeßkopf 10 zugeführt wird. Das reflektierte Signal erscheint mit einem gewissen Anteil, der durch den Koppler K bedingt ist, auf dem Lichtwellenleiterabschnitt 111 und wird dort einem Photodetektor D zugeführt, der die Intensität der Lichtstrahlung feststellt. Das Ausgangssignal des Photodetektors D gelangt an den Verstärker Vι_ und von dort an den Phasendifferenzverstärker PDV.
Der Strom I(LD), der der Laserdiode LD zugeführt wird, setzt sich aus drei Komponenten zusammen, nämlich einem Voreinstellstrom IQ, erzeugt in der Einheit BIAS, einem geregelten Gleichstromanteil IQ , erzeugt in der Regeleinheit CONTROL, sowie einem Wechselstromanteil Iw/ erzeugt im
Wobbeigenerator WGEN. Dieser schwingt bspw. mit 5kHz und frequenzmoduliert damit die optische Frequenz der von der
Laserdiode LD emittierten Lichtes. Diese Frequenzmodulation und damit Wellenlängenveränderung der optischen Strahlung, mit der der Druckmeßkopf 10 angeregt wird, wird bei einer bestimmten Auslenkung Δx der Membran 13 des Druckmeßkopfes 10 in eine Intensitätsmodulation des am Photodetektor D festgestellten Intensitätssignals umgesetzt. Die auf die
Modulation zurückgehende Komponente der im Detektor D festgestellten Lichtstrahlung wird von dem Bandpassfilter BPF herausgefiltert. Im Phasendifferenzverstärker PDF wird die
Phasendifferenz zu dem Iw-Signal am Ausgang des
Wobbeigenerators WGEN festgestellt. Geht das Ausgangssignal des Phasendifferenzverstärkers PDV durch Null, dann durchläuft die Intensität der reflektierten Strahlung ein Minimum (z.B. bei A oder bei B' in Figur 7a). Entsprechend geht auch die
Langzeitkomponente des Signals am Ausgang von PDV, d.h. die
Spannung Oj_n am Ausgang eines dem Phasendifferenzverstärker
PDV nachgeschalteten integrierten Tiefpassfilters TPF durch
Null. Die Spannung Uin wird der Regeleinheit CONTROL zugeführt, die ihrerseits die Gleichspannungskomponente Ic des der Laserdiode LD zugeführten Stromes und damit die
Wellenlänge des von der Laserdiode LD emittierten Lichtes so steuert, daß das Signal Uin Null bleibt. Die Wellenlänge der
Laserdiode LD hängt also von dem Gleichstrom (IQ + Ic) ab, der am Widerstand R zu einem Spannungsabfall führt.Dieser wird im Verstärker V2 verstärkt und ergibt ein Ausgangssignal Uj, welches ein Maß der Wellenlänge der Laserdiode ist und damit in Abhängigkeit von der Auslenkung ^ x der Membran 13 des Druckmeßkopfes 10 geeicht werden kann.
Abschließend ist festzustellen, daß die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensors nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Dem Fachmann ist aus obiger Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise der einzelnen Systemkomponenten des faseroptischen Drucksensors klar ersichtlich, welche Kombinationen der einzelnen Systemkomponenten er vorzunehmen hat, um den auf dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers basierenden Druckmeßkopf den von ihm gewünschten Einsatzzweck anzupassen.

Claims

WS Patentansprüche
1. Faseroptischer Drucksensor, mit einem Druckmeßkopf
(10,110), der ein Gehäuse (12) aufweist, in dem eine als Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung ausführende Membran (13) aufgenommen ist, deren Membraninnenseite (13') mit einer hochreflektierenden Verspiegelung (14) versehen ist, und mit einem Lichtwellenleiter (11), dessen Stirnfläche (11') auf die hochreflektierende Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') ausgerichtet ist und über den von einer Lichtquelle (32) emittiertes Licht in den Druckmeßkopf (10,110) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') und die Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) orthogonal zu einer optischen Achse (15) des Lichtwellenleiters (11) verlaufen, und daß die Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiter (11) teilreflektierend ausgeführt ist, so daß durch die hochreflektierende Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') und durch die teilreflektierende Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird, in dem das vom Lichtwellenleiter (11) in den Fabry-Perot-Resonator (11' ,14) eingekoppelte Licht an der hochreflektierenden Verspiegelung (14) der Membraninnenseite (13') zur teilreflektierenden Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) reflektiert wird, und in H3 dem dieses reflektierte Licht zu einem dem
Reflektionskoeffizienten R der teilreflektierenden
Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) entsprechenden Anteil zur hochreflektierenden Verspiegelung
(14) der Membraninnenseite (13') zurückgespiegelt wird, und in dem der verbleibende Anteil reflektierten Lichts durch die teilreflektierende Stirnfläche (11') des
Lichtwellenleiters (11) transmittiert wird, und daß das aus dem Fabry-Perot-Resonator (11',14) ausgekoppelte und in den
Lichtwellenleitern (11) transmittierte Licht aufgrund der im Fabry-Perot-Resonator (11',14) stattfindenden
Vielstrahlinterferenz des eingekoppelten Lichts eine zeitliche Intensitätsverteilung aufweist, welche durch den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran (13) bestimmt wird, und daß die IntensitätsVerteilung des transmittierten Lichts in einer optoelektronischen
Detektoreinrichtung (33a,33b) registriert und in einer
Ansteuer- und Auswerteinrichtung (40) ausgewertet wird.
2. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der hochreflektierenden Verspiegelung (14) und der teilreflektierenden Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) des Druckmeßkopfes (10,110) ein optisches System zur Fokussierung und Faltung der im Fabry-Perot-Resonator (11',14) verlaufenden Lichtstrahlen angeordnet ist.
3. Faseroptischer Druckmeßsensor nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende Verspiegelung (14) an der Membraninnenseite (13') dund/oder die teilreflektierende Verspiegelung der Stirnfläche (11') des Lichtwellenleiters (11) durch ein Aufdampfen und/oder Polieren eines metallischen Substrats erzeugt wird.
4. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche l - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (13) im Bereich ihrer Verspiegelung (14) verstärkt ausgebildet ist, so daß bei der Hubbewegung der Membran (13) eine lineare Verschiebung der Verspiegelung (14) erfolgt, derart, daß die Verspiegelung (14) während der Hubbewegung orthogonal zur optischen Achse (15) des Lichtwellenleiters (11) verbleibt.
5. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der Membran (13) des Druckmeßkopfs (110) über einen an der Membran (13) angreifenden Kolben (18) erfolgt, der in einer mit dem Gehäuse (12) fest verbundenen Hülse (17) verschiebbar geführt ist.
6. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Transport des von der Lichtquelle (32) emittierten monochromen und kohärenten Lichts zum Fabry-Perot-Resonator (11',14) des Druckmeßkopfs s-i
(10) verwendeten Lichtwellenleiter (11,32) als Monomode-Lichtwellenleiter ausgebildet sind.
7. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Druckmeßkopf (10,110) und die Lichtquelle (32) eine Codiereinrichtung (20) geschaltet - ist, in der das von der Lichtquelle (32) emittierte und über einen weiteren Lichtwellenleiter (31) zur Codiereinrichtung (20) geleitete Licht in einem ersten Richtkoppler (21a) in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl aufgespaltet wird, welche je einen ersten und einen zweiten optischen Zweig (22a,22b) der Codiereinrichtung (20) durchlaufen, und daß im ersten optischen Zweig (22a) eine Polarisationssteller (23a) und ein Phasenschieber (24) angeordnet sind, durch welche der den ersten optischen Zweig (22a) durchlaufende erste Teilstrahl polarisiert wird und eine Phasenverschiebung erfährt, und daß im zweiten optischen Zweig (22b) ein zweiter Polarisationssteller (23b) angeordnet ist, durch den der zweite optische Zweig (22b) durchlaufende zweite Teilstrahl polarisiert wird, wobei die bevorzugten Durchlaßrichtungen des ersten und des zweiten Polarisationsstellers (23a,23b) derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationshauptachsen des ersten und des zweiten Teilstrahl orthogonal zueinander verlaufen und daß in einem polarisationserhaltenden zweiten Richtkoppler (21b) der Codiereinrichtung (20) der erste und der zweite Teilstrahl überlagert und synchron in den Lichtwellenleiter (11) eingespeist werden, und daß der die Codiereinrichtung (20) mit dem Druckmeßkopf (10,110) verbindende Lichtwellenleiter (11) polarisationserhaltend ausgebildet ist, und daß das aus dem Fabry-Perot-Resonator (11',14) des Druckmeßkopfes (10,110) ausgekoppelte und über den polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (11) zur Codiereinrichtung (20) zurückgeleitete Licht in einem polarisationserhaltenden dritten Richtkoppler (21c) in einen ersten und in einen zweiten optischen Detektorzweig (25a,25b) aufgespaltet wird, und daß in jedem der beiden optischen Detektorzweige (25a,25b) ein Depolarisator (26a,26b) angeordnet ist, dessen bevorzugte Durchlaßrichtung mit einer der Polarisationshauptachsen der Polarisationssteller (23a,23b) übereinstimmt, und daß ein erster und ein zweiter Multimode-Lichtwellenleiter (34a,34b) vorgesehen ist, welcher je einen optischen Detektorzweig (25a,25b) mit je einer optoelektronischen Detektordiode (33a,33b) der Licht-Sender/Empfängereinheit (30) verbinden.
8. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinrichtung durch einen integriert optischen Chip (20) gebildet wird.
9. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtkoppler (21a,21b,21c) , die Polarisationssteller (23a,23b,26a,26b) und der Phasenschieber (24) als diskrete Bauelemente einer in konventioneller Technik aufgebauten Codiereinrichtung (20) ausgebildet sind.
10. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (24) elektrisch modulierbar ist.
11. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Lichtquelle (32) und Druckmeßkopf (10) angeordnete Codiereinrichtung (20) einen elektrisch modulierbaren Polarisationssteller und einen elektrisch modulierbaren Phasenschieber aufweist, durch deren koordiniertes Zusammenwirken die von der Lichtquelle (32) emittierte und über den weiteren Lichtwellenleiter (31) in die Codiereinrichtung (20) eingespeiste Licht in eine zeitliche Abfolge von zwei periodisch wiederkehrenden, aufeinanderfolgenden Lichtsegmenten aufgespaltet wird, wobei das erste Lichtsegment gegenüber dem zweiten Lichtsegment eine unterschiedliche Polarisation und eine Phasenverschiebung aufweist, und daß der derart segmentierte Lichtstrahl über den polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (11) in den Druckmeßkopf (10,110) eingespeist wird.
12. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeic ...et, daß das vom Fabry-Perot-Resonator (11' ,14) des Druckmeßkopfes (10) ausgekoppelte und über den polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (11) zur Codiereinrichtung (20) zurückgeführte Licht über einen polarisationserhaltenden Richtkoppler (21c) in den ersten optischen Detektorzweig (25a) geleitet wird, und daß die Ansteuer- und Auswerteelektronik (40) derart ausgebildet ist, daß die momentan in der optoelektronischen Detektordiode (33a) registrierte transmittierte Lichtintensität jeweils einer der beiden alternierenden Polarisationshauptrichtungen zuordbar ist.
13. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1, 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) als elektrisch modulierbare Laserdiode ausgeführt ist, die eine Einseitenband-Modulation des von der Lichtquelle (32) emittierten kohärenten Laserlichts bewirkt, und daß der Lichtwellenleiter (11) und der weitere Lichtwellenleiter (32) als Multimode-Lichtwellenleiter ausgeführt sind.
14. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (12) des Druckmeßkopfs (10,110) ein Temperaturfühler (50) angeordnet ist, der über eine Signalleitung (51) mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik (40) verbunden ist.
15. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (50) des ST Druckmeßkopfes (10,110) als Infrarot-Temperaturmeßsystem ausgebildet ist, und daß die zur Versorgung dieses
Infrarot-Temperaturmeßsystems erforderliche
Infrarotstrahlung durch einen in das Gehäuse (12) des
Druckmeßkopfes (10,110) mündenden
Infrarot-Lichtwellenleiter erfolgt.
16. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung der Infrarot-Strahlung zur Versorgung des Infrarot-Temperaturmeßsystem durch den das Fabry-Perot-Interferometer (11',14) vorsorgenden Lichtwellenleiter (11) erfolgt.
17. Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot-Lichtwellenleiter durch das Gehäuse (12) geführt wird und in einer von der Vorderseite des Gehäuses (12) vorgesehenen Quarzlinse mündet.
18. Faseroptischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (11) und der Infrarot-Lichtwellenleiter durch eine Verklebung (16) der Ummantelung (11a) der Lichtwellenleiter (11,) mit einem Hochtemperaturkleber im Gehäuse (12) des Druckmeßkopfs (10) gehaltert ist.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994002810A1 (de) * 1992-07-17 1994-02-03 Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. Faseroptischer sensor nach dem fabry-perot-prinzip
EP0617913A1 (de) * 1993-03-26 1994-10-05 Baxter International Inc. Intra-cranialer Druckmonitor und Drainagekatheter
CN100507484C (zh) * 2005-09-20 2009-07-01 山东省科学院激光研究所 高性能光纤压力传感器
WO2012119237A1 (en) * 2011-03-09 2012-09-13 Opsens Inc . A miniature high sensitivity pressure sensor
CN103162878A (zh) * 2011-12-11 2013-06-19 黄辉 一种光纤压力传感器及其制备方法
CN103644988A (zh) * 2013-11-25 2014-03-19 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种具有温度测量功能的光纤压力传感器
CN105509940A (zh) * 2016-01-19 2016-04-20 莆田学院 一种光纤传感探头及制备方法
CN111051829A (zh) * 2017-08-29 2020-04-21 福斯4X股份有限公司 光电芯片
RU197698U1 (ru) * 2019-12-23 2020-05-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Дифференциальный датчик давления
CN114252178A (zh) * 2020-09-25 2022-03-29 同济大学 触觉传感器、压力事件检测方法和装置及智能机器人

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4407176A1 (de) * 1994-03-04 1995-09-07 Diehl Gmbh & Co Druckmessung mittels Faseroptik
DE19826565C2 (de) * 1997-12-03 2001-06-07 Sennheiser Electronic Optischer Schallsensor, insbesondere Mikrofon
DE19809920C1 (de) * 1998-03-07 1999-12-30 Sennheiser Electronic Optischer, insbesondere optoakustischer Sensor sowie optisches Mikrofon
DE19962078B4 (de) * 1998-12-23 2010-03-18 CiS Institut für Mikrosensorik gGmbH Verfahren und Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung
DE10055629A1 (de) * 2000-11-10 2002-05-23 Manfred Gortat Optischer Drucksensor
DE10225934B4 (de) * 2002-06-11 2010-08-19 Robert Bosch Gmbh Faseroptischer Drucksensor
DE10304743B4 (de) * 2002-10-02 2013-08-22 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur Messung eines Drucks und Drucksensor
DE10319417A1 (de) * 2003-04-29 2004-11-18 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Druckaufnehmer mit Temperaturkompensation
DE10324876B4 (de) * 2003-06-07 2007-12-13 Giese, Erhard, Dr. Drucksensor
DE10337966B4 (de) * 2003-08-19 2008-04-10 Giese, Erhard, Dr. Drucksensor
DE102004020059B4 (de) * 2004-04-20 2008-01-31 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Messvorrichtung und Verfahren zur diskontinuierlichen Absolutmessung von Verschiebungen
DE102007016774A1 (de) 2007-04-04 2008-10-09 Friedrich-Schiller-Universität Jena Verfahren und Vorrichtung zur interferenziellen Abstandsmessung von Objekten
DE102007018817A1 (de) 2007-04-20 2008-10-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung
EP2363685B1 (de) * 2010-02-09 2013-11-20 Attocube Systems AG Vorrichtung zur Positionserfassung mit konfokalem Fabry-Perot Interferometer
US9298193B2 (en) 2010-10-22 2016-03-29 Kenneth Susko Optical probe containing oxygen, temperature, and pressure sensors and monitoring and control systems containing the same
EP2630451B1 (de) * 2010-10-22 2018-12-12 Kenneth Susko Optische sonde mit sauerstoff-, temperatur- und drucksensoren sowie überwachungs- und kontrollsysteme damit
DE102012217700B4 (de) * 2012-09-28 2015-03-12 Carl Zeiss Smt Gmbh Messvorrichtung zur Messung einer Strahlposition
WO2014152194A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Kenneth Susko Optical probe containing oxygen, temperature, and pressure sensors and monitoring and control systems containing the same
CN111366189A (zh) * 2020-02-24 2020-07-03 北京理工大学 用于感测压力或振动的系统和方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2437440A (en) * 1945-01-04 1948-03-09 Duncan L Rigden Balanced pressure gage and switch
JPS57190214A (en) * 1981-05-20 1982-11-22 Toshiba Corp Optical sensor device
GB2144215A (en) * 1983-07-28 1985-02-27 Cise Spa Interferometric detector with fibre-optic sensor
WO1986007445A1 (en) * 1985-06-04 1986-12-18 Optima Systems, Inc. Optical pressure sensor
DE3816529A1 (de) * 1988-05-14 1989-11-23 Kistler Instr Gmbh Druckmessvorrichtung
DE3830040A1 (de) * 1988-09-03 1990-03-15 I R S Ind Rationalisierungs Sy Vorrichtung zur ueberwachung explosionsgefaehrdeter anlagen

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4572669A (en) * 1979-01-22 1986-02-25 Rockwell International Corporation Method and apparatus for a Fabry-Perot multiple beam fringe sensor
US4799751A (en) * 1983-05-16 1989-01-24 Gould Inc. Detection device using fiber optic techniques
JPS61235731A (ja) * 1985-04-11 1986-10-21 Sharp Corp 感圧素子
DE3709253A1 (de) * 1987-03-20 1988-09-29 Fraunhofer Ges Forschung Fabry-perot-sensor
GB2202936B (en) * 1987-03-31 1990-11-14 Plessey Co Plc Improvements relating to optical pressure or displacement sensors
SU1451564A1 (ru) * 1987-06-10 1989-01-15 Ижевский механический институт Устройство дл динамических испытаний опор скольжени
DE3816950A1 (de) * 1988-05-18 1989-11-30 Siemens Ag Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung
DE8910521U1 (de) * 1989-09-04 1989-12-28 Kerl, Klaus, Prof. Dr., 3300 Braunschweig Sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2437440A (en) * 1945-01-04 1948-03-09 Duncan L Rigden Balanced pressure gage and switch
JPS57190214A (en) * 1981-05-20 1982-11-22 Toshiba Corp Optical sensor device
GB2144215A (en) * 1983-07-28 1985-02-27 Cise Spa Interferometric detector with fibre-optic sensor
WO1986007445A1 (en) * 1985-06-04 1986-12-18 Optima Systems, Inc. Optical pressure sensor
DE3816529A1 (de) * 1988-05-14 1989-11-23 Kistler Instr Gmbh Druckmessvorrichtung
DE3830040A1 (de) * 1988-09-03 1990-03-15 I R S Ind Rationalisierungs Sy Vorrichtung zur ueberwachung explosionsgefaehrdeter anlagen

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEOS 1988 - NOVEMBER 2-4, 1988 - SANTA CLARA, CALIFORNIA (US) - D.A. JACKSON: INTENSITY OR INTERFEROMETRIC SENSORS: WHICH MAKES SENSE? SEITEN 274-278 siehe Seite 276; Abbildungen 4,6 *
OFC/IOOC - 19/22 JANUAR 1987 - RENO, NEVADA R.A. LIEBERMAN ET AL: SINGLE-FIBER PRESSURE SENSOR FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS (TU16) SEITE 75 siehe das ganze Dokument *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 38 (P-176)(1183) 16. Februar 1983 & JP-A-57 190 214 (TOKYO SHIBAURA DENKI K.K. ) 22. November 1982 siehe das ganze Dokument *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994002810A1 (de) * 1992-07-17 1994-02-03 Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. Faseroptischer sensor nach dem fabry-perot-prinzip
EP0617913A1 (de) * 1993-03-26 1994-10-05 Baxter International Inc. Intra-cranialer Druckmonitor und Drainagekatheter
CN100507484C (zh) * 2005-09-20 2009-07-01 山东省科学院激光研究所 高性能光纤压力传感器
CN103534568B (zh) * 2011-03-09 2015-11-25 奥普森斯公司 微型高灵敏压力传感器
WO2012119237A1 (en) * 2011-03-09 2012-09-13 Opsens Inc . A miniature high sensitivity pressure sensor
CN103534568A (zh) * 2011-03-09 2014-01-22 奥普森斯公司 微型高灵敏压力传感器
US8752435B2 (en) 2011-03-09 2014-06-17 Claude Belleville Miniature high sensitivity pressure sensor
CN103162878A (zh) * 2011-12-11 2013-06-19 黄辉 一种光纤压力传感器及其制备方法
CN103644988A (zh) * 2013-11-25 2014-03-19 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种具有温度测量功能的光纤压力传感器
CN105509940A (zh) * 2016-01-19 2016-04-20 莆田学院 一种光纤传感探头及制备方法
CN111051829A (zh) * 2017-08-29 2020-04-21 福斯4X股份有限公司 光电芯片
CN111051829B (zh) * 2017-08-29 2022-12-27 福斯4X股份有限公司 光电芯片、包括其的测量系统和用于评估光纤Bragg光栅的反射光谱的方法
RU197698U1 (ru) * 2019-12-23 2020-05-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Дифференциальный датчик давления
CN114252178A (zh) * 2020-09-25 2022-03-29 同济大学 触觉传感器、压力事件检测方法和装置及智能机器人
CN114252178B (zh) * 2020-09-25 2024-03-01 同济大学 触觉传感器、压力事件检测方法和装置及智能机器人

Also Published As

Publication number Publication date
DE4018998A1 (de) 1992-01-02

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