WO1999050650A1 - Fibre-optic sensor - Google Patents

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WO1999050650A1
WO1999050650A1 PCT/DE1999/000047 DE9900047W WO9950650A1 WO 1999050650 A1 WO1999050650 A1 WO 1999050650A1 DE 9900047 W DE9900047 W DE 9900047W WO 9950650 A1 WO9950650 A1 WO 9950650A1
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WO
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optical
sensor according
optical sensor
gas
optodes
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/000047
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German (de)
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Inventor
Joachim Schneider
Anton Pfefferseder
Andreas Hensel
Ulrich Oppelt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/42Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • GPHYSICS
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    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769Measurement method of reaction-produced change in sensor
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    • G01N2021/7769Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7783Transmission, loss

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor with the features mentioned in the preamble of claim 1 and its use.
  • the optical sensor according to the invention with the features mentioned in claim 1 has the advantage that the spatial separation of the at least one optical transmitter and the at least one optical receiver and at least two interacting with a sample, for example a gas or gas mixture, means the transmission very sensitive and inexpensive integrated components can be produced for sensitive layers that change light of a specific wavelength.
  • a sample for example a gas or gas mixture
  • an integrated module which preferably consists of an optical transmitter and an optical receiver, is coupled to the sensitive layers that can be used at any remote location via at least one optical waveguide, the complete spatial separation of these structural units from one another and thus positioning of the gas-sensitive layers is also possible at locations where, owing to the space and / or the thermal and / or mechanical conditions, no sensitive optical and / or electronic components can be used and installed.
  • an optode is understood in particular to mean polymer layers which, owing to the indicator substances embedded therein, show a dependence of the light transmission on the concentration of a specific gas in the atmosphere surrounding the optode.
  • Optodes used according to the invention react selectively and reversibly to the concentration of a certain gas.
  • the interaction of the indicator substance present in the optode leads, for example, to an at least local maximum of the absorption for electromagnetic radiation, for example light.
  • the location of the absorption maximum that is to say the wavelength range, is typically for each specific gas and / or gas mixture at different wavelength values of the electromagnetic radiation, the height of the absorption maximum also being correlated with the concentration of the interacting gas and / or gas mixture.
  • the one present in the gas-sensitive layer preferably in a polymer material, speaks trix stored, indicator substance only on a certain gas, so that gas-specific acting sensors can be represented with different indicator substances.
  • At least one source for electromagnetic radiation preferably an optical transmitter
  • at least one detector for electromagnetic radiation preferably an optical receiver
  • the at least two optodes are coupled to the transmitter and receiver via at least one optical waveguide.
  • the source for electromagnetic radiation can be, for example, a light-emitting diode as an optical transmitter, which emits light in a selectable wavelength range.
  • a laser light source as the source for electromagnetic radiation, which has the advantage of being able to adjust the wavelength of the emitted electromagnetic waves very precisely to the position of an absorption maximum of the optodes.
  • a photodiode as an optical receiver with a frequency range matched to the emitted wavelength of the light-emitting diode or laser light source can be used for the detection of the electromagnetic radiation.
  • Such a structure can be rather be realized with very inexpensive individual parts.
  • the optodes arranged in the beam path between the optical transmitter and the optical receiver are preferably calibrated or calibrated quantitatively according to their absorption properties at certain light wavelengths, so that different light wavelengths with differently reacting indicator substances can detect different gases.
  • the at least two optodes coupled via at least one optical waveguide to the at least one optical transmitter and the at least one optical receiver are connected in series.
  • two or more optodes, which are also expediently spaced from one another, can be used at locations which are almost arbitrarily distant.
  • the almost lossless transmission of electromagnetic radiation, preferably in the light range, within the optical waveguide enables the spatial separation of optical transmitters and receivers from the optodes. This makes it easy to use the optodes in locations that are unsuitable for use with sensitive optical and electronic components due to their temperature load, for example.
  • the optodes can be coupled to the optical transmitter and the optical receiver both via a series and a parallel connection or also in a combination of series and parallel connection.
  • connection or coupling of the at least one optical waveguide with The optodes can advantageously be designed in such a way that a sheath surrounding a core of the optical waveguide along its entire length is interrupted at individual points and is covered at each of these points with a gas-sensitive layer forming the optodes.
  • These sections, at which the cladding is interrupted can either be designed as oval windows, for example, or as sections at which the core is freed from the cladding on its entire circumference and instead is covered with the gas-sensitive layer representing the optode.
  • the core which conducts the light signals almost without attenuation, consists, for example, of quartz glass in conventional optical fibers.
  • the refractive index (n 2 ) for light from the core of the optical waveguide is selected such that it is significantly above the refractive index (n 3 ) for light from the cladding. In this way it is achieved that light guided in the core of the optical waveguide is deflected at an interface between the core and the sheath with total reflection and thus does not leave the core, which also ensures loss-free light guidance.
  • an optical waveguide is provided with a plurality of spaced apart optodes which react sensitively to the same gas and / or gas mixture in each case. In this way, the gas and / or the gas mixture can be detected at any location in very low concentrations in a simple manner with appropriate laying of the optical waveguide.
  • the length of the at least one optical waveguide is provided with a plurality of optodes spaced apart from one another, which are sensitive to different gases in each case.
  • the gas concentration at each individual optode can be determined with high accuracy.
  • the at least one optical waveguide can advantageously be designed in a ring shape, which enables simple concealed laying even within larger areas and unambiguous assignment of the signals arriving at the optical receiver to the individual optodes.
  • two or more ring-shaped optical waveguides can be used, each with optodes sensitive to different gases and / or gas mixtures.
  • These multiple optical waveguides can advantageously be bundled and laid in parallel, which enables reliable detection of different gases and / or gas mixtures at defined, even distant, locations.
  • each of the plurality of optical waveguides is coupled to a separate optical receiver in order to enable reliable signal evaluation.
  • optical transmitters and receivers in a monolithic combination, for example by casting with plastic, to connect to the end faces of the optical fibers.
  • the optical transmitter and receiver can also be spatially combined in a common assembly or integrated in a common component, which has considerable advantages in terms of easier assembly.
  • optical sensor according to the invention can furthermore advantageously be used for monitoring air quality in rooms, for example for controlling ventilation flaps in air conditioning systems.
  • optical sensors according to the invention can be used for ventilation and climate control in interiors and / or in tunnels.
  • such optical sensors are also suitable for smoke and / or fire detectors, the detection and reporting time being greatly reduced compared to known devices and the false alarm security being significantly increased by determining fire control gases by means of individual optical sensors or a combination of several sensors can.
  • very simple, maintenance-free and reliable optical fire detectors can be implemented by laying optical fibers provided with appropriate optodes over a wide area.
  • the extremely low power consumption of the semiconductor components which are preferably used as optical transmitters and receivers, for example in the form of LEDs, means that battery detectors can advantageously be used to implement fire detectors which are independent of the power supply system. Another advantageous application is the detection of hydrocarbons. 10
  • Figure 1 is a schematic representation of a first variant of an individual optical sensor
  • Figure 2 is a schematic representation of a variant of an optical sensor with a plurality of optical fibers
  • FIG. 3 shows a diagram of a further variant of an optical sensor
  • Figure 4 is a schematic representation of an optical fiber provided with an optode
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the reflection processes in the optical waveguide and at the optode.
  • Figure 1 shows a measuring arrangement for an optical sensor, consisting of a source of electromagnetic radiation as an optical transmitter 2, here for example a light emitting diode, a detector for 11
  • electromagnetic radiation as an optical receiver 4, for example a photodiode, which are coupled via an optical waveguide 10 to a plurality of spaced-apart sensitive elements, hereinafter referred to as optodes 12.
  • an optical receiver 4 for example a photodiode
  • optodes 12 a plurality of spaced-apart sensitive elements
  • a laser light source can, for example, just as well be used as the source for electromagnetic radiation.
  • the two semiconductor components can be attached, for example, as so-called SMD (Surface Mounted Device) components on a common circuit board in a housing (not shown here), whereas the optodes 12 are preferably attached at locations that are more easily accessible for the gas to be detected, that is, outside the housing are.
  • SMD Surface Mounted Device
  • the use of at least one optical waveguide 10 is provided for optically coupling the optodes 12 to the optical transmitter 2 and the optical receiver 4.
  • the light emitted by the optical transmitter 2 is coupled vertically at a preferably straight end face 36 into the optical waveguide 10, which at its other end, facing the optical receiver 4, also has a straight end face 37 which is perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 10 12
  • Optical transmitters 2 and receivers 4 can be used which work with infrared or ultraviolet light or which work with light in the visible wavelength range, preferably in each case in a narrow wavelength range.
  • Decisive for the function of the measuring arrangement is the coordination between the wavelength of the light emitted by the optical transmitter 2 and the absorbed wavelength of the gas-sensitive layers or optodes 12 described below.
  • the gas-sensitive layers or optodes 12 each consist of a chemically largely inert carrier material, preferably a polymer material, and an indicator substance embedded therein or applied thereon.
  • the indicator substance When in contact with certain samples, for example a certain gas and / or gas mixture, the indicator substance shows an interaction in the form of a change in transmission for electromagnetic radiation of a certain wavelength.
  • certain gases and gas mixtures there is a fixed correlation to the degree of absorption of transmitted light.
  • the effectiveness of the gas-sensitive layers has so far been proven for a large number of different gases and gas mixtures, with the smallest gas concentrations thus far detectable being in the range of a few ppb. 13
  • Each of the optodes 12 arranged on the optical waveguide 10 in the exemplary embodiment shown contains an indicator substance sensitive to a specific gas and / or gas mixture and is calibrated by means of previous measurements before installation.
  • the indicator substance contained in the optode 12 changes its absorption for certain wavelength ranges of the electromagnetic ones interacting with it Radiation. Since this wavelength corresponds to a local absorption maximum of the indicator substance, the optical receiver 4 registers a changed amplitude of the received light signal.
  • the height of the absorption maximum in the previously known optodes 12 is proportional to the concentration of the gas.
  • the received light signal can be detected by means of an evaluation unit (not shown here) and forwarded to a signal transmitter, for example.
  • the optodes 12 connected in series are each calibrated to the same substance, so that with a sufficiently long optical waveguide 10 and optodes 12 mounted thereon and spaced apart from one another, detection of a specific gas and / or gas mixture over long distances or within a wide range Area is possible.
  • an optical sensor with only very few components and with only one line, 14
  • a highly sensitive fire detector can be realized.
  • the optical transmitter 2 here a laser
  • a suitable evaluation with regard to the transit times it is also possible to detect the interaction of each individual optode 12 with the gas and / or gas mixture. This makes it possible to record and display the exact location of the interaction and thus the location, for example, of a fire with high accuracy.
  • FIG. 2 shows a schematic of a variant of an optical sensor in which a plurality of optical fibers 10 are each provided with a plurality of optodes 12, 13, 14.
  • the same parts as in Figure 1 are provided with the same reference numerals and not explained again.
  • three ring-shaped optical waveguides 10 are fed by a common optical transmitter 2.
  • a separate optical receiver 4, 6 and 8 is provided for each of the three optical fibers 10, so that 15
  • the optodes 12, 13, 14 connected to the optical fibers 10 are expediently calibrated and tuned such that the optodes 12 of the first optical fiber 10 are sensitive to a specific gas and / or gas mixture, that the optodes 13 of the second optical fiber 10 to another gas and / or gas mixture are sensitive and that the optodes 14 of the third optical waveguide 10 are in turn sensitive to a different gas and / or gas mixture.
  • Such an arrangement can be expanded almost as desired by additional optical fibers with individually calibrated optodes attached to it.
  • optodes 12, 13, 14 of the same type that is to say sensitive to the same substance, for one optical waveguide 10 each. As in the manner described in FIG. 1, these can be spaced closer or further apart, so that, if necessary, substances can be detected over long distances and within wide areas.
  • the optodes 12, 13, 14 can, for example, be calibrated in such a way that they are sensitive to different combustion gases, which enables more reliable fire detection and avoidance than when using only one combustion gas sensitive optodes 12. In each case in the desired areas To detect all desired substances, it is expedient to lay the three optical fibers 10 in parallel.
  • FIG. 3 shows a further variant of an optical sensor in a schematic illustration.
  • Only one optical waveguide 10 is provided here with a plurality of optodes 12, 13 and 14 which are sensitive to different substances or gases and / or gas mixtures.
  • the optical transmitter 2 at one end of the optical waveguide 10 emits electromagnetic radiation in the wavelength range in which the optodes 12, 13 and 14 show a change in transmission upon interaction with a specific gas and / or gas mixture.
  • the optical receiver 4 at the other end of the optical waveguide routes the received signals to an evaluation unit (not shown here), which is able to compare the received signal with respect to the amplitudes at the relevant frequencies with the signal emitted by the optical transmitter 2 and from this 17
  • FIG. 4 shows a section of a structure of an optical waveguide 10 arranged in the beam path between the optical transmitter 2 and the optical receiver 4 with an optode 12, 13, 14 applied thereon.
  • a core 20 of the optical waveguide 10 can be seen, which is encased by a jacket 22 over its entire length. 18th
  • a section 24 or a window 25 is provided in which the core 20 is exposed, that is to say freed from the enveloping jacket 22 and covered or encased with a gas-sensitive layer or an optode 12, 13, 14.
  • the material of the optode 12, 13, 14 expediently has a value for the refractive index (n 3 ) which is approximately that of the core
  • FIG. 5 shows the reflection processes in the optical waveguide 10 in a schematic detailed view. The same parts as in the previous figures are included 19
  • the core 20 with the enveloping jacket 22, which is interrupted at an exemplary section 24, can again be seen.
  • An optode 12, 13, 14 is located there.
  • a light beam 30 shown by way of example is reflected at the interface 21 core-cladding due to the different refractive indices and thus remains in the core 20.
  • the light beam 32 thus also remains in the core 20, but is significantly weakened as it passes through the optode 12, 13, 14 depending on the interaction with a specific substance.
  • this signal weakening can be evaluated as the detection of a substance.

Abstract

The invention relates to an optical sensor to determine at least one physical and/or chemical parameter relating to a sample. The inventive device comprises at least one optical transmitter, at least one optical receiver and at least one sensitive element, especially a gas-sensitive element, which is arranged in an optical path between the at least one optical transmitter and the at least one optical receiver and which can be exposed to the sample in addition to being able to modify its absorption and/or refractive index for electromagnetic radiation of a specific wavelength when the parameters of the sample are modified. Optionally, an evaluation unit, arranged downstream from the at least one optical receiver, is also provided. The at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4) are coupled to at least two interspaced sensitive elements by at least one optical fibre (10).

Description

FASEROPTISCHER SENSOR FIBER OPTICAL SENSOR
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen sowie dessen Verwendung.The invention relates to an optical sensor with the features mentioned in the preamble of claim 1 and its use.
Stand der TechnikState of the art
Es sind verschiedene Arten von Sensoren zur Detektion von Proben und Substanzen bekannt, beispielsweise Gassensoren zur Brandfrüherkennung und Brandmeldung. So sind in der älteren deutschen Patentanmeldung 197 41 335.8 optisch arbeitende Gassensoren beschrieben, die auf dem Prinzip der Messung einer Wechselwirkung von bestimmten Gasen mit einer lichtteil- durchlässigen Schicht beruhen, wobei ein Absorptionsgrad von Licht bestimmter Wellenlänge abhängig ist von der Gaskonzentration. Nachteilig an den bekannten optischen Gassensoren sind unter anderem die relativ aufwendigen und voluminösen Meßaufbauten, da neben einem optischen Sender und einem optischen Empfänger eine Anordnung einer gassensitiven Schicht innerhalb eines Strahlenganges zwischen diesen beiden Bauteilen notwendig ist. Insbesondere sind Messungen, bei denen Konzentrationen bestimmter Gase an von den optischen Bauteilen räumlich weiter entfernten und beispielsweise stark temperatur- und/oder schwingungsbelaste- ten Meßorten erfaßt werden sollen, nur unter Schwierigkeiten möglich.Various types of sensors for detecting samples and substances are known, for example gas sensors for early fire detection and fire detection. Thus, in the older German patent application 197 41 335.8, optically working gas sensors are described which are based on the principle of measuring an interaction of certain gases with a layer which is transparent to light, an absorption level of light of a certain wavelength being dependent on the gas concentration. A disadvantage of the known optical gas sensors are, among other things, the relatively complex and voluminous measurement setups, since in addition to an optical transmitter and an optical receiver, an arrangement of a gas-sensitive layer within a beam path between these two components is necessary. In particular, are measurements in which concentrations of certain gases differ from the optical ones Components that are further away in space and that are to be detected, for example, at measurement sites that are subject to high temperatures and / or vibrations, are only possible with difficulty.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße optische Sensor mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vor- teil, daß durch die räumliche Trennbarkeit des wenigstens einen optischen Senders und des wenigstens einen optischen Empfängers sowie wenigstens zwei mit einer Probe, beispielsweise einem Gas oder Gasgemisch, wechselwirkenden, die Transmission für Licht bestimmter Wellenlänge verändernden, sensitiven Schichten sehr kompakte und kostengünstige integrierte Bauteile darstellbar sind. Bei einer Koppelung eines vorzugsweise aus optischem Sender und optischem Empfänger bestehenden integrierten Moduls mit den an beliebigen entfernten Orten einsetzbaren sensitiven Schichten über wenigstens einen Lichtwellenleiter ist die völlige räumliche Trennung dieser Baueinheiten voneinander und damit eine Positionierung der gassensitiven Schichten auch an solchen Orten möglich, wo aufgrund der Platzverhältnisse und/oder der thermischen und/oder mechanischen Verhältnisse keine empfindlichen optischen und/oder elektronischen Bauteile verwendet und eingebaut werden können.The optical sensor according to the invention with the features mentioned in claim 1 has the advantage that the spatial separation of the at least one optical transmitter and the at least one optical receiver and at least two interacting with a sample, for example a gas or gas mixture, means the transmission very sensitive and inexpensive integrated components can be produced for sensitive layers that change light of a specific wavelength. When an integrated module, which preferably consists of an optical transmitter and an optical receiver, is coupled to the sensitive layers that can be used at any remote location via at least one optical waveguide, the complete spatial separation of these structural units from one another and thus positioning of the gas-sensitive layers is also possible at locations where, owing to the space and / or the thermal and / or mechanical conditions, no sensitive optical and / or electronic components can be used and installed.
Durch den Einsatz einer für elektromagnetische Strahlung weitgehend durchlässigen und bei Kontakt mit einem Gas oder einem Gasgemisch seine Absorptionseigen- Schäften und/oder seinen Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung verändernden gassensitiven Schicht oder Membran, im folgenden auch als Optode bezeichnet, als sensitives Element können auf ein- fache Weise sehr kompakte und miniaturisierbare Gas- sensoren hergestellt werden. Unter einer Optode werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere Polymerschichten verstanden, die aufgrund in ihr eingelagerter Indikatorsubstanzen eine Abhängigkeit der Lichttransmission von der Konzentration eines bestimmten Gases in der die Optode umgebenden Atmosphäre zeigen. Erfindungsgemäß eingesetzte Optoden reagieren selektiv und reversibel auf die Konzentration eines bestimmten Gases. Die Wechsel- Wirkung der in der Optode vorhandenen Indikatorsubstanz führt beispielsweise zu einem zumindest lokalen Maximum der Absorption für elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht. Die Lage des Absorptionsmaximums, das heißt der Wellenlängenbereich, liegt typischerweise für jedes spezifische Gas und/oder Gasgemisch bei jeweils unterschiedlichen Wellenlängenwerten der elektromagnetischen Strahlung, wobei zudem die Höhe des Absorptionsmaximums mit der Konzentration des wechselwirkenden Gases und/oder Gasge- misches korreliert ist. Durch Messung der Absorptionseigenschaften der dem Gas ausgesetzten und mit diesem wechselwirkenden, in der gassensitiven Schicht oder Membran vorhandenen, Indikatorsubstanz können mit relativ einfachen optischen Vorrichtungen sehr geringe Gaskonzentrationen gemessen und nachgewiesen werden. Vorzugsweise spricht die in der gassensitiven Schicht vorhandene, vorzugsweise in einer Polymerma- trix eingelagerte, Indikatorsubstanz nur auf ein bestimmtes Gas an, so daß mit verschiedenen Indikatorsubstanzen jeweils gasspezifisch wirkende Sensoren darstellbar sind.Through the use of a material that is largely transparent to electromagnetic radiation and its absorption properties upon contact with a gas or a gas mixture. Shafts and / or its refractive index for gas-sensitive layer or membrane which changes electromagnetic radiation, hereinafter also referred to as optode, as a sensitive element, it is easy to produce very compact and miniaturizable gas sensors. In the context of the present invention, an optode is understood in particular to mean polymer layers which, owing to the indicator substances embedded therein, show a dependence of the light transmission on the concentration of a specific gas in the atmosphere surrounding the optode. Optodes used according to the invention react selectively and reversibly to the concentration of a certain gas. The interaction of the indicator substance present in the optode leads, for example, to an at least local maximum of the absorption for electromagnetic radiation, for example light. The location of the absorption maximum, that is to say the wavelength range, is typically for each specific gas and / or gas mixture at different wavelength values of the electromagnetic radiation, the height of the absorption maximum also being correlated with the concentration of the interacting gas and / or gas mixture. By measuring the absorption properties of the indicator substance exposed to the gas and interacting with it, which is present in the gas-sensitive layer or membrane, very low gas concentrations can be measured and detected with relatively simple optical devices. Preferably, the one present in the gas-sensitive layer, preferably in a polymer material, speaks trix stored, indicator substance only on a certain gas, so that gas-specific acting sensors can be represented with different indicator substances.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des optischen Sensors sind wenigstens einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise einem optischen Sender, und wenigstens einem Detektor für elektroma- gnetische Strahlung, vorzugsweise einem optischen Empfänger, - in deren Strahlengang - wenigstens zwei voneinander beabstandete Optoden zwischengeschaltet, die je nach physikalischer und/oder chemischer Wechselwirkung mit einem bestimmten Gas die Transmissi- ons- beziehungsweise Absorptionseigenschaften für die elektromagnetische Strahlung verändern. Die wenigstens zwei Optoden sind über wenigstens einen Lichtwellenleiter mit dem Sender und Empfänger gekoppelt. Die Quelle für elektromagnetische Strahlung kann bei- spielsweise eine Leuchtdiode als optischer Sender sein, die Licht in einem wählbaren Wellenlängenbereich abstrahlt. Ebenso möglich ist die Verwendung einer Laserlichtquelle als Quelle für elektromagnetische Strahlung, was den Vorteil einer sehr exakten Abstimmbarkeit der Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen auf die Lage eines Absorptionsmaximums der Optoden aufweist. Zur Detek- tion der elektromagnetischen Strahlung kommt dementsprechend eine Photodiode als optischer Empfänger mit einem auf die abgestrahlte Wellenlänge der Leuchtdiode oder Laserlichtquelle abgestimmten Frequenzbereich in Frage. Ein derartiger Aufbau kann in einfa- eher Weise mit sehr kostengünstigen Einzelteilen realisiert werden. Die im Strahlengang zwischen optischem Sender und optischem Empfänger angeordneten Optoden werden vorzugsweise entsprechend ihren Absorptionseigenschaften bei bestimmten Lichtwellenlängen quantitativ geeicht beziehungsweise kalibriert, so daß verschiedene Lichtwellenlängen mit verschieden reagierenden Indikatorsubstanzen unterschiedliche Gase detektieren können.In an advantageous embodiment of the optical sensor, at least one source for electromagnetic radiation, preferably an optical transmitter, and at least one detector for electromagnetic radiation, preferably an optical receiver, are interposed - in the beam path - of at least two spaced apart optodes, which, depending on physical and / or chemical interaction with a certain gas change the transmission or absorption properties for the electromagnetic radiation. The at least two optodes are coupled to the transmitter and receiver via at least one optical waveguide. The source for electromagnetic radiation can be, for example, a light-emitting diode as an optical transmitter, which emits light in a selectable wavelength range. It is also possible to use a laser light source as the source for electromagnetic radiation, which has the advantage of being able to adjust the wavelength of the emitted electromagnetic waves very precisely to the position of an absorption maximum of the optodes. Accordingly, a photodiode as an optical receiver with a frequency range matched to the emitted wavelength of the light-emitting diode or laser light source can be used for the detection of the electromagnetic radiation. Such a structure can be rather be realized with very inexpensive individual parts. The optodes arranged in the beam path between the optical transmitter and the optical receiver are preferably calibrated or calibrated quantitatively according to their absorption properties at certain light wavelengths, so that different light wavelengths with differently reacting indicator substances can detect different gases.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei über wenigstens einen Lichtwellenleiter mit dem wenigstens einen optischen Sender und dem wenigstens einen optischen Empfänger ge- koppelten Optoden in Reihe geschaltet. Hierdurch können zwei oder mehrere Optoden, die zudem zweckmäßigerweise voneinander beabstandet sind, an nahezu beliebig entfernten Orten eingesetzt werden. Die nahezu verlustlose Übertragung der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise im Lichtbereich, innerhalb des Lichtwellenleiters ermöglicht die räumliche Trennung von optischen Sendern und Empfängern von den Optoden. So ist es problemlos möglich, die Optoden an Orten einzusetzen, die aufgrund beispielsweise ihrer Temperaturbelastung zum Einsatz von empfindlichen optischen und elektronischen Bauteilen ungeeignet sind. Die Optoden können sowohl über eine Reihen- als auch eine Parallelschaltung oder auch in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung mit dem optischen Sender und dem optischen Empfänger gekoppelt sein. Die Gestaltung der Verbindung beziehungsweise Koppelung des wenigstens einen Lichtwellenleiters mit den Optoden kann in vorteilhafter Weise so ausgeführt sein, daß ein einen Kern des Lichtwellenleiters auf seiner gesamten Länge umgebender Mantel an einzelnen Stellen unterbrochen ist und an diesen Stellen je- weils mit einer, die Optoden bildenden, gassensitiven Schicht bedeckt ist. Diese Abschnitte, an denen der Mantel unterbrochen ist, können entweder als beispielsweise ovale Fenster ausgebildet sein oder auch als Abschnitte, an denen der Kern an seinem gesamten Umfang vom Mantel befreit ist und stattdessen mit der die Optode darstellenden gassensitiven Schicht bedeckt ist. Der die Lichtsignale annähernd dämpfungsfrei leitende Kern besteht bei herkömmlichen Lichtwellenleitern beispielsweise aus Quarzglas.In an advantageous embodiment of the invention, the at least two optodes coupled via at least one optical waveguide to the at least one optical transmitter and the at least one optical receiver are connected in series. As a result, two or more optodes, which are also expediently spaced from one another, can be used at locations which are almost arbitrarily distant. The almost lossless transmission of electromagnetic radiation, preferably in the light range, within the optical waveguide enables the spatial separation of optical transmitters and receivers from the optodes. This makes it easy to use the optodes in locations that are unsuitable for use with sensitive optical and electronic components due to their temperature load, for example. The optodes can be coupled to the optical transmitter and the optical receiver both via a series and a parallel connection or also in a combination of series and parallel connection. The design of the connection or coupling of the at least one optical waveguide with The optodes can advantageously be designed in such a way that a sheath surrounding a core of the optical waveguide along its entire length is interrupted at individual points and is covered at each of these points with a gas-sensitive layer forming the optodes. These sections, at which the cladding is interrupted, can either be designed as oval windows, for example, or as sections at which the core is freed from the cladding on its entire circumference and instead is covered with the gas-sensitive layer representing the optode. The core, which conducts the light signals almost without attenuation, consists, for example, of quartz glass in conventional optical fibers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Brechungsindex (n2) für Licht des Kernes des Lichtwellenleiters so gewählt, daß er signifikant über dem Brechungsindex (n3) für Licht des Mantels liegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Kern des Lichtwellenleiters geführtes Licht an einer Grenzfläche Kern- Mantel unter Totalreflexion umgelenkt wird und damit den Kern nicht verläßt, womit zudem eine verlustfreie Lichtleitung sichergestellt ist. Durch geeignete Wahl eines Materials für die gassensitive Schicht mit einem Brechungsindex (n3) für Licht der Optode mit einem annähernd gleichen Wert wie der Brechungsindex (n2) für Licht des Kernes kann in vorteilhaf er Weise erreicht werden, daß im Kern geführtes Licht eine Grenzfläche Kern-Optode nahezu verlustfrei ohne Reflexion überwinden kann, jedoch an einer Grenzfläche Optode-Luft unter Totalreflexion zurückgelenkt wird und wieder in den Kern eindringt. Durch eine Wechselwirkung der Optode mit einem umgebenden Gas und/oder Gasgemisch ändert sich das Transmissionsverhalten für Licht der Optode. Ein die Optode durch- laufender Lichtstrahl wird dabei abgeschwächt. Diese Abschwächung des Lichts kann mittels der dem optischen Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinheit erfaßt und analysiert werden. Durch entsprechend gewählte Empfindlichkeit können sehr genaue Werte für verschiedene Gaskonzentrationen ermittelt und angezeigt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Lichtwellenleiter mit mehreren voneinander beabstandeten Optoden versehen, die auf jeweils das gleiche Gas und/oder Gasgemisch sensitiv reagieren. Auf diese Weise kann in einfacher Weise, bei entsprechender Verlegung des Lichtwellenleiters, das Gas und/oder das Gasgemisch an beliebigen Orten schon in sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen werden.In an advantageous embodiment, the refractive index (n 2 ) for light from the core of the optical waveguide is selected such that it is significantly above the refractive index (n 3 ) for light from the cladding. In this way it is achieved that light guided in the core of the optical waveguide is deflected at an interface between the core and the sheath with total reflection and thus does not leave the core, which also ensures loss-free light guidance. By suitable selection of a material for the gas-sensitive layer with a refractive index (n 3 ) for light of the optode with approximately the same value as the refractive index (n 2 ) for light of the core, it can be achieved in an advantageous manner that light guided in the core is a Core-optode interface can be overcome almost without loss without reflection, but deflected back at an optode-air interface under total reflection and penetrates back into the core. An interaction of the optode with a surrounding gas and / or gas mixture changes the transmission behavior for light of the optode. A light beam passing through the optode is thereby weakened. This weakening of the light can be detected and analyzed by means of the evaluation unit connected downstream of the optical receiver. By selecting the appropriate sensitivity, very precise values for different gas concentrations can be determined and displayed. In an advantageous embodiment of the invention, an optical waveguide is provided with a plurality of spaced apart optodes which react sensitively to the same gas and / or gas mixture in each case. In this way, the gas and / or the gas mixture can be detected at any location in very low concentrations in a simple manner with appropriate laying of the optical waveguide.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter auf seiner Länge mit mehreren voneinander beabstandeten Optoden versehen, die auf jeweils unterschiedliche Gase sensitiv sind. Durch geeignete Modulation des vom optischen Sender ausgestrahlten Lichts und entsprechender Auswertung und Signalzuordnung mittels der dem optischen Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinheit kann mit hoher Genauigkeit die Gaskonzen- tration an jeder einzelnen Optode ermittelt werden. Hierzu ist es zweckmäßig, die Laufzeit der Impulse zu analysieren und auf diese Weise die verschiedenen Signale den verschiedenen Optoden genau zuzuordnen, wobei dazu das an den als Störstellen im Lichtleiter wirkenden Optoden reflektierte Signal ausgewertet wird. Der wenigstens eine Lichtwellenleiter kann in vorteilhafter Weise ringförmig ausgebildet sein, wodurch eine einfache verdeckte Verlegung auch innerhalb größerer Areale sowie eine eindeutige Zuorden- barkeit der zum optischen Empfänger gelangenden Signale zu den einzelnen Optoden ermöglicht wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the length of the at least one optical waveguide is provided with a plurality of optodes spaced apart from one another, which are sensitive to different gases in each case. By suitable modulation of the light emitted by the optical transmitter and corresponding evaluation and signal assignment by means of the evaluation unit downstream of the optical receiver, the gas concentration at each individual optode can be determined with high accuracy. For this purpose it is useful to analyze the duration of the impulses and in this way the different ones Assign signals precisely to the different optodes, for which purpose the signal reflected at the optodes acting as defects in the light guide is evaluated. The at least one optical waveguide can advantageously be designed in a ring shape, which enables simple concealed laying even within larger areas and unambiguous assignment of the signals arriving at the optical receiver to the individual optodes.
In einer weiteren vorteilhaf en Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, mehr als einen ringförmigen Lichtwellenleiter vorzusehen. Beispielsweise können zwei oder oder mehr ringförmig ausgebildete Lichtwel- lenleiter mit jeweils für unterschiedliche Gase und/oder Gasgemische sensitiven Optoden verwendet werden. Diese mehreren Lichtwellenleiter können in vorteilhafter Weise gebündelt und parallel verlegt werden, wodurch eine zuverlässige Detektion unter- schiedlicher Gase und/oder Gasgemische an definierten, auch weit entfernt liegenden, Orten ermöglicht wird. Vorteilhaft ist weiterhin, für die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter einen gemeinsamen optischen Sender vorzusehen, was unter anderem den Bauaufwand reduziert. Zweckmäßigerweise ist jedoch jeder der mehreren Lichtwellenleiter mit einem separaten optischen Empfänger gekoppelt, um eine zuverlässige Signalauswertung zu ermöglichen. Um zu kompakten und möglichst betriebssicheren Baueinheiten zu gelangen, kann es vorteilhaft sein, optische Sender und Empfänger jeweils in einem monolithischen Verbund, beispielsweise durch Vergießen mit Kunststoff, mit den Stirnseiten der Lichtwellenleiter zu verbinden. Wahlweise können zudem optischer Sender und Empfänger in einer gemeinsamen Baugruppe räumlich zusammengefaßt sein oder in einem gemeinsamen Bauteil in- tegriert sein, was hinsichtlich einer erleichterten Montage erhebliche Vorteile aufweist.In a further advantageous embodiment of the invention, provision is made for more than one ring-shaped optical waveguide to be provided. For example, two or more ring-shaped optical waveguides can be used, each with optodes sensitive to different gases and / or gas mixtures. These multiple optical waveguides can advantageously be bundled and laid in parallel, which enables reliable detection of different gases and / or gas mixtures at defined, even distant, locations. It is also advantageous to provide a common optical transmitter for the at least two optical waveguides used, which among other things reduces the construction effort. Expediently, however, each of the plurality of optical waveguides is coupled to a separate optical receiver in order to enable reliable signal evaluation. In order to achieve compact and operationally reliable units, it can be advantageous to combine optical transmitters and receivers in a monolithic combination, for example by casting with plastic, to connect to the end faces of the optical fibers. Optionally, the optical transmitter and receiver can also be spatially combined in a common assembly or integrated in a common component, which has considerable advantages in terms of easier assembly.
Der erfindungsgemäße optische Sensor kann weiterhin zur Überwachung einer Luftgüte in Räumen, beispiels- weise zur Steuerung von Lüftungsklappen in Klimaanlagen, vorteilhaft eingesetzt werden. Ebenso können erfindungsgemäße optische Sensoren zur Lüftungs- und Klimaregelung in Innenräumen und/oder in Tunnels eingesetzt werden. Selbstverständlich eignen sich derar- tige optische Sensoren auch für Rauch- und/oder Brandmelder, wobei durch eine Bestimmung von Brandleitgasen durch einzelne optische Sensoren oder eine Kombination mehrerer Sensoren die Detektions- und Meldezeit gegenüber bekannten Vorrichtungen stark re- duziert sowie die Falschalarmsicherheit signifikant erhöht werden kann. In der oben beschriebenen Weise können durch weiträumige Verlegungen von mit entsprechenden Optoden versehenen Lichtwellenleitern sehr einfach aufgebaute, wartungsfreie und zuverlässige optische Brandmelder realisiert werden. Durch den äußerst geringen Stromverbrauch der als optische Sender und Empfänger vorzugsweise verwendeten Halbleiterbauteile, beispielsweise als LED ausgeführt, lassen sich mittels Akkumulatorpufferung in vorteilhaf- ter Weise stromnetzunabhängige Brandmelder realisieren. Eine weitere vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit ist eine Detektion von Kohlenwasserstoffen. 10The optical sensor according to the invention can furthermore advantageously be used for monitoring air quality in rooms, for example for controlling ventilation flaps in air conditioning systems. Likewise, optical sensors according to the invention can be used for ventilation and climate control in interiors and / or in tunnels. Of course, such optical sensors are also suitable for smoke and / or fire detectors, the detection and reporting time being greatly reduced compared to known devices and the false alarm security being significantly increased by determining fire control gases by means of individual optical sensors or a combination of several sensors can. In the manner described above, very simple, maintenance-free and reliable optical fire detectors can be implemented by laying optical fibers provided with appropriate optodes over a wide area. The extremely low power consumption of the semiconductor components which are preferably used as optical transmitters and receivers, for example in the form of LEDs, means that battery detectors can advantageously be used to implement fire detectors which are independent of the power supply system. Another advantageous application is the detection of hydrocarbons. 10
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail in an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine Schemadarstellung einer ersten Variante eines einzelnen optischen Sensors;Figure 1 is a schematic representation of a first variant of an individual optical sensor;
Figur 2 eine Schemadarstellung einer Variante eines optischen Sensors mit mehreren Lichtwellenleitern;Figure 2 is a schematic representation of a variant of an optical sensor with a plurality of optical fibers;
Figur 3 eine Schemadarstellung einer weiteren Variante eines optischen Sensors;FIG. 3 shows a diagram of a further variant of an optical sensor;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines mit einer Optode versehenen Lichtwellenleiters undFigure 4 is a schematic representation of an optical fiber provided with an optode and
Figur 5 eine Prinzipdarstellung der Reflexionsvorgän- ge im Lichtwellenleiter und an .der Optode.5 shows a schematic diagram of the reflection processes in the optical waveguide and at the optode.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Figur 1 zeigt eine Meßanordnung für einen optischen Sensor, bestehend aus einer Quelle für elektromagnetische Strahlung als optischen Sender 2, hier beispielsweise einer Leuchtdiode, einem Detektor für 11Figure 1 shows a measuring arrangement for an optical sensor, consisting of a source of electromagnetic radiation as an optical transmitter 2, here for example a light emitting diode, a detector for 11
elektromagnetische Strahlung als optischen Empfänger 4, beispielsweise einer Photodiode, die über einen Lichtwellenleiter 10 mit mehreren voneinander beabstandeten sensitiven Elementen, im folgenden als Optoden 12 bezeichnet, gekoppelt sind. Als Quelle für elektromagnetische Strahlung kann jedoch beispielsweise ebensogut eine Laserlichtquelle zum Einsatz kommen .electromagnetic radiation as an optical receiver 4, for example a photodiode, which are coupled via an optical waveguide 10 to a plurality of spaced-apart sensitive elements, hereinafter referred to as optodes 12. However, a laser light source can, for example, just as well be used as the source for electromagnetic radiation.
Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, die gas- sensitiven Schichten beziehungsweise die Optoden 12 räumlich vom optischen Sender 2 und optischen Empfänger 4 zu trennen, so beispielsweise bei Brandmeldern oder bei Sensoren, die mit sehr heißen Gasen wechsel- wirken sollen. Die beiden Halbleiterbauteile können beispielsweise als sogenannte SMD(Surface Mounted Device) -Bauteile auf einer gemeinsamen Platine in einem hier nicht dargestellten Gehäuse angebracht sein, wogegen die Optoden 12 vorzugsweise an für das zu detektierende Gas leichter zugänglichen Stellen, das heißt außerhalb des Gehäuses, angebracht sind. Zur optischen Koppelung der Optoden 12 mit dem optischen Sender 2 und dem optischen Empfänger 4 wird erfindungsgemäß der Einsatz wenigstens eines Licht- Wellenleiters 10 bereitgestellt. Das vom optischen Sender 2 abgestrahlte Licht wird dabei senkrecht an einer vorzugsweise geraden Stirnseite 36 in den Lichtwellenleiter 10 eingekoppelt, der an seinem anderen Ende, dem optischen Empfänger 4 zugewandt, eine ebenfalls gerade Stirnseite 37 aufweist, die senkrecht zur Längsrichtung des Lichtwellenleiters 10 12In many applications it is desirable to spatially separate the gas-sensitive layers or the optodes 12 from the optical transmitter 2 and optical receiver 4, for example in the case of fire detectors or sensors which are intended to interact with very hot gases. The two semiconductor components can be attached, for example, as so-called SMD (Surface Mounted Device) components on a common circuit board in a housing (not shown here), whereas the optodes 12 are preferably attached at locations that are more easily accessible for the gas to be detected, that is, outside the housing are. According to the invention, the use of at least one optical waveguide 10 is provided for optically coupling the optodes 12 to the optical transmitter 2 and the optical receiver 4. The light emitted by the optical transmitter 2 is coupled vertically at a preferably straight end face 36 into the optical waveguide 10, which at its other end, facing the optical receiver 4, also has a straight end face 37 which is perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 10 12
angeordnet ist . Auf diese Weise ist eine räumliche Trennung von Elektronik und Optoden 12 möglich.is arranged. In this way, a spatial separation of electronics and optodes 12 is possible.
Es können optische Sender 2 und Empfänger 4 verwendet werden, die mit infrarotem oder ultraviolettem Licht oder die mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, vorzugsweise jeweils in einem schmalen Wellenlängenbereich, arbeiten. Entscheidend für die Funktion der Meßanordnung ist die Abstimmung zwischen der Wellen- länge des vom optischen Sender 2 ausgesandten Lichts und der absorbierten Wellenlänge der im folgenden beschriebenen gassenεitiven Schichten beziehungsweise Optoden 12.Optical transmitters 2 and receivers 4 can be used which work with infrared or ultraviolet light or which work with light in the visible wavelength range, preferably in each case in a narrow wavelength range. Decisive for the function of the measuring arrangement is the coordination between the wavelength of the light emitted by the optical transmitter 2 and the absorbed wavelength of the gas-sensitive layers or optodes 12 described below.
Die gassensitiven Schichten beziehungsweise Optoden 12 bestehen jeweils aus einem chemisch weitgehend inerten Trägermaterial, vorzugsweise einem Polymermaterial, und einer darin eingelagerten oder darauf aufgebrachten Indikatorsubstanz. Die Indikatorsub- stanz zeigt bei Kontakt mit bestimmten Proben, beispielsweise einem bestimmten Gas und/oder Gasgemisch, eine Wechselwirkung in Form einer Transmissionsänderung für elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge. Bei einer bestimmten Gaskonzentra- tion zeigt sich ein fester Zusammenhang zu dem Grad der Absorption von transmittierendem Licht. Die Wirksamkeit der gassensitiven Schichten sind bisher für eine Vielzahl von verschiedenen Gasen und Gasgemischen nachgewiesen, wobei die kleinsten damit bisher nachweisbaren Gaskonzentrationen im Bereich von wenigen ppb liegen. 13The gas-sensitive layers or optodes 12 each consist of a chemically largely inert carrier material, preferably a polymer material, and an indicator substance embedded therein or applied thereon. When in contact with certain samples, for example a certain gas and / or gas mixture, the indicator substance shows an interaction in the form of a change in transmission for electromagnetic radiation of a certain wavelength. At a certain gas concentration, there is a fixed correlation to the degree of absorption of transmitted light. The effectiveness of the gas-sensitive layers has so far been proven for a large number of different gases and gas mixtures, with the smallest gas concentrations thus far detectable being in the range of a few ppb. 13
Jede der im dargestellten Ausführungsbeispiel am Lichtwellenleiter 10 angeordneten Optoden 12 enthält eine für ein bestimmtes Gas und/oder Gasgemisch sensitive Indikatorsubstanz und wird vor dem Einbau mit- tels vorheriger Messungen kalibriert. Sobald das zu detektierende Gas in den Bereich zwischen optischem Sender 2 und optischem Empfänger 4 eintritt, das heißt wenigstens eine der Optoden 12 erreicht und mit deren Indikatorsubstanz wechselwirkt, ändert die in der Optode 12 enthaltene Indikatorsubstanz ihre Absorption für bestimmte Wellenlängenbereiche der mit ihr wechselwirkenden elektromagnetischen Strahlung. Da diese Wellenlänge einem lokalen Absorptionsmaximum der Indikatorsubstanz entspricht, registriert der optische Empfänger 4 eine veränderte Amplitude des empfangenen Lichtsignals. Die Höhe des Absorptionsmaximums ist bei den bisher bekannten Optoden 12 proportional zur Konzentration des Gases. Das empfangene Lichtsignal kann mittels einer hier nicht dargestell- ten Auswerteeinheit erfaßt und beispielsweise an einen Signalgeber weitergeleitet werden.Each of the optodes 12 arranged on the optical waveguide 10 in the exemplary embodiment shown contains an indicator substance sensitive to a specific gas and / or gas mixture and is calibrated by means of previous measurements before installation. As soon as the gas to be detected enters the area between the optical transmitter 2 and the optical receiver 4, i.e. reaches at least one of the optodes 12 and interacts with its indicator substance, the indicator substance contained in the optode 12 changes its absorption for certain wavelength ranges of the electromagnetic ones interacting with it Radiation. Since this wavelength corresponds to a local absorption maximum of the indicator substance, the optical receiver 4 registers a changed amplitude of the received light signal. The height of the absorption maximum in the previously known optodes 12 is proportional to the concentration of the gas. The received light signal can be detected by means of an evaluation unit (not shown here) and forwarded to a signal transmitter, for example.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in Reihe geschalteten Optoden 12 jeweils auf die gleiche Substanz kalibriert, wodurch bei ausreichend lang bemessenem Lichtwellenleiter 10 und darauf aufgebrachten und voneinander beabstandeten Optoden 12 eine Detektion eines bestimmten Gases und/oder Gasgemisches über große Entfernungen beziehungsweise inner- halb eines weiten Areals möglich ist. Beispielsweise kann mit einem derartigen optischen Sensor mit nur sehr wenigen Bauteilen und mit nur einer Leitung, 14In the exemplary embodiment shown, the optodes 12 connected in series are each calibrated to the same substance, so that with a sufficiently long optical waveguide 10 and optodes 12 mounted thereon and spaced apart from one another, detection of a specific gas and / or gas mixture over long distances or within a wide range Area is possible. For example, with such an optical sensor with only very few components and with only one line, 14
nämlich dem Lichtwellenleiter 10, bei entsprechend gewählter Sensitivität der Optoden 12 ein hochempfindlicher Brandmelder realisiert werden. Durch Einspeisung von geeignet modulierten Lichtsignalen durch den optischen Sender 2 (hier eines Lasers) sowie einer geeigneten Auswertung hinsichtlich der Laufzeiten ist es zudem möglich, die Wechselwirkung jeder einzelnen Optode 12 mit dem Gas und/oder Gasgemisch zu detektieren. Hierdurch wird es möglich, den ge- nauen Ort der Wechselwirkung und damit den Ort beispielsweise eines Brandes mit hoher Genauigkeit zu erfassen und anzuzeigen.namely, the optical waveguide 10, with a correspondingly selected sensitivity of the optodes 12, a highly sensitive fire detector can be realized. By feeding in suitably modulated light signals through the optical transmitter 2 (here a laser) and a suitable evaluation with regard to the transit times, it is also possible to detect the interaction of each individual optode 12 with the gas and / or gas mixture. This makes it possible to record and display the exact location of the interaction and thus the location, for example, of a fire with high accuracy.
Figur 2 zeigt in einer Schemadarstellung eine Varian- te eines optischen Sensors, bei dem mehrere Lichtwellenleiter 10 mit jeweils mehreren Optoden 12, 13, 14 versehen sind. Gleiche Teile wie in der Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wer- den drei ringförmig ausgebildete Lichtwellenleiter 10 von einem gemeinsamen optischen Sender 2 gespeist. Ebenso möglich ist es jedoch, für jeden einzelnen Lichtwellenleiter einen eigenen optischen Sender 2 vorzusehen, wobei diese mehreren optischen Sender 2 jeweils elektromagnetische Strahlung entweder im gleichen oder auch in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aussenden können. Möglich ist es zudem, anstatt von nur drei eine Vielzahl von Lichtwellenleitern 10 vorzusehen.FIG. 2 shows a schematic of a variant of an optical sensor in which a plurality of optical fibers 10 are each provided with a plurality of optodes 12, 13, 14. The same parts as in Figure 1 are provided with the same reference numerals and not explained again. In the exemplary embodiment shown, three ring-shaped optical waveguides 10 are fed by a common optical transmitter 2. However, it is also possible to provide a separate optical transmitter 2 for each individual optical waveguide, these multiple optical transmitters 2 each being able to transmit electromagnetic radiation either in the same or in different wavelength ranges. It is also possible to provide a large number of optical waveguides 10 instead of just three.
Für jeden der drei Lichtwellenleiter 10 ist ein eigener optischer Empfänger 4, 6 und 8 vorgesehen, so daß 15A separate optical receiver 4, 6 and 8 is provided for each of the three optical fibers 10, so that 15
eine Analyse der mit unterschiedlichen Gasen und/oder Gasgemischen wechselwirkenden Optoden 12, 13, 14 möglich ist. Die mit den Lichtwellenleitern 10 verbundenen Optoden 12, 13, 14 sind zweckmäßigerweise derart kalibriert und abgestimmt, daß die Optoden 12 des ersten Lichtwellenleiters 10 auf ein spezifisches Gas und/oder Gasgemisch sensitiv sind, daß die Optoden 13 des zweiten Lichtwellenleiters 10 auf ein anderes Gas und/oder Gasgemisch sensitiv sind und daß die Optoden 14 des dritten Lichtwellenleiters 10 wiederum auf ein davon verschiedenes Gas und/oder Gasgemisch sensitiv sind. Eine derartige Anordnung kann fast beliebig um weitere Lichtwellenleiter mit darauf aufgebrachten und individuell kalibrierten Optoden erweitert wer- den.an analysis of the optodes 12, 13, 14 interacting with different gases and / or gas mixtures is possible. The optodes 12, 13, 14 connected to the optical fibers 10 are expediently calibrated and tuned such that the optodes 12 of the first optical fiber 10 are sensitive to a specific gas and / or gas mixture, that the optodes 13 of the second optical fiber 10 to another gas and / or gas mixture are sensitive and that the optodes 14 of the third optical waveguide 10 are in turn sensitive to a different gas and / or gas mixture. Such an arrangement can be expanded almost as desired by additional optical fibers with individually calibrated optodes attached to it.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, jeweils gleichartige, das heißt auf die gleiche Substanz sensitive, Optoden 12, 13, 14 für jeweils einen Lichtwellenleiter 10 vorzusehen. Diese können wie in der zu Figur 1 beschriebenen Weise enger oder weiter voneinander beabstandet sein, so daß bei Bedarf eine Erfassung von Substanzen über große Wege und innerhalb weiter Areale möglich ist. Die Optoden 12, 13, 14 können beispielsweise derart kalibriert sein, daß sie auf verschiedene Verbrennungsgase sensitiv sind, womit eine zuverlässigere Branddetektion und -meidung ermöglicht wird als bei Verwendung von nur auf ein Verbrennungsgas sensitiven Optoden 12. Um in den ge- wünschten Arealen jeweils alle gewünschten Substanzen zu detektieren, ist es zweckmäßig, die drei Lichtwellenleiter 10 parallel zu verlegen. Die Verwendung 16In the exemplary embodiment shown, it is provided to provide optodes 12, 13, 14 of the same type, that is to say sensitive to the same substance, for one optical waveguide 10 each. As in the manner described in FIG. 1, these can be spaced closer or further apart, so that, if necessary, substances can be detected over long distances and within wide areas. The optodes 12, 13, 14 can, for example, be calibrated in such a way that they are sensitive to different combustion gases, which enables more reliable fire detection and avoidance than when using only one combustion gas sensitive optodes 12. In each case in the desired areas To detect all desired substances, it is expedient to lay the three optical fibers 10 in parallel. The usage 16
eines einzelnen optischen Empfängers 2, 4 und 6 für jeden einzelnen verwendeten Lichtwellenleiter 10 erleichtert die Auswertung hinsichtlich verschiedener zu erfassender Gase und/oder Gasgemische. Sollen zu- dem, wie bereits zur Figur 1 beschrieben, die exakten Orte der Wechselwirkungen einer Optode 12, 13, 14 mit einem Gas und/oder Gasgemisch erfaßt und analysiert werden, ist die Signalverarbeitung in einer den optischen Empfängern 4, 6, 8 nachgeschalteten Auswerte- einheit bei Verwendung von drei optischen Empfängern 4, 6 und 8 weniger aufwendig als bei Verwendung nur eines .of an individual optical receiver 2, 4 and 6 for each individual optical fiber 10 used facilitates the evaluation with regard to different gases and / or gas mixtures to be detected. If, as already described for FIG. 1, the exact locations of the interactions of an optode 12, 13, 14 with a gas and / or gas mixture are to be recorded and analyzed, the signal processing in a downstream of the optical receivers 4, 6, 8 Evaluation unit when using three optical receivers 4, 6 and 8 is less complex than when using only one.
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Variante eines optischen Sensors. Gleiche Teile wie in den vorherigen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Hier ist lediglich ein Lichtwellenleiter 10 mit mehreren, für jeweils unterschiedliche Substanzen bezie- hungsweise Gase und/oder Gasgemische sensitive, Optoden 12, 13 und 14 vorgesehen. Der optische Sender 2 an einem Ende des Lichtwellenleiters 10 sendet elektromagnetische Strahlung in dem Wellenlängenbereich aus, in dem die Optoden 12, 13 und 14 eine Transmis- sionsanderung bei Wechselwirkung mit einem bestimmten Gas und/oder Gasgemisch zeigen. Der optische Empfänger 4 am anderen Ende des Lichtwellenleiters leitet die empfangenen Signale zu einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit, die in der Lage ist, das empfangene Signal hinsichtlich der Amplituden bei den relevanten Frequenzen mit dem vom optischen Sender 2 ausgesandten Signal zu vergleichen und daraus Aussa- 17FIG. 3 shows a further variant of an optical sensor in a schematic illustration. The same parts as in the previous figures are provided with the same reference numerals and are not explained again. Only one optical waveguide 10 is provided here with a plurality of optodes 12, 13 and 14 which are sensitive to different substances or gases and / or gas mixtures. The optical transmitter 2 at one end of the optical waveguide 10 emits electromagnetic radiation in the wavelength range in which the optodes 12, 13 and 14 show a change in transmission upon interaction with a specific gas and / or gas mixture. The optical receiver 4 at the other end of the optical waveguide routes the received signals to an evaluation unit (not shown here), which is able to compare the received signal with respect to the amplitudes at the relevant frequencies with the signal emitted by the optical transmitter 2 and from this 17
gen über die detektierten Substanzen sowie deren genauen Ort zu gewinnen. Um letzteres zu ermöglichen, ist es jedoch notwendig, das vom optischen Sender 2 ausgesandte Signal auf geeignete Weise zu modulieren und das an einem optischen Empfänger am Lichtleitereingang erhaltene reflektierte Signal hinsichtlich der Impulsantworten auszuwerten.gene about the detected substances and their exact location. To enable the latter, however, it is necessary to modulate the signal emitted by the optical transmitter 2 in a suitable manner and to evaluate the reflected signal obtained at an optical receiver at the optical fiber input with regard to the impulse responses.
So ist es beispielsweise möglich, mehrere Gruppen von jeweils drei nah beieinander plazierten verschiedenen Optoden 12, 13 und 14 jeweils beabstandet voneinander sequentiell am Lichtwellenleiter zu positionieren, so daß auf diese Weise drei verschiedene Substanzen, beispielsweise drei verschiedene Gase und/oder Gasge- mische an einer Vielzahl von verschiedenen Orten de- tektiert werden können, wobei die Anzeigen jeweils exakt den verschiedenen definierten Orten zugeordnet werden können. Soll mit Hilfe des optischen Sensors beispielsweise ein Brandmelder realisiert werden, so können auch bei großen Arealen genau die Orte einer Brandentwicklung aufgrund der dort freigesetzten und von den Optoden 12, 13, 14 registrierten Verbrennungsgase bestimmt werden.For example, it is possible to sequentially position several groups of three different optodes 12, 13 and 14 placed close to each other at a distance from each other on the optical waveguide, so that three different substances, for example three different gases and / or gas mixtures, are present in this way a large number of different locations can be detected, the displays being able to be assigned exactly to the different defined locations. If, for example, a fire detector is to be implemented with the aid of the optical sensor, the locations of a fire development can be determined precisely in large areas on the basis of the combustion gases released there and registered by the optodes 12, 13, 14.
Figur 4 zeigt ausschnittweise einen Aufbau eines im Strahlengang zwischen optischem Sender 2 und optischem Empfänger 4 angeordneten Lichtwellenleiters 10 mit darauf aufgebrachter Optode 12, 13, 14. Gleiche Teile wie in den vorherigen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Erkennbar ist ein Kern 20 des Lichtwellenleiters 10, der auf seiner gesamten Länge von einem Mantel 22 um- 18FIG. 4 shows a section of a structure of an optical waveguide 10 arranged in the beam path between the optical transmitter 2 and the optical receiver 4 with an optode 12, 13, 14 applied thereon. The same parts as in the previous figures are provided with the same reference symbols and are not explained again. A core 20 of the optical waveguide 10 can be seen, which is encased by a jacket 22 over its entire length. 18th
hüllt ist. Der Brechungsindex für Licht des Kernes 20 (n2) weist typischerweise einen signifikant höheren Wert auf als der des Mantels 22 (nx) . Wird als Material für den Lichtwellenleiter beispielsweise Quarz- glas verwendet, so weist dieses einen Brechungsindex von n2 = 1,46 auf. Für Luft beträgt der Wert des Brechungsindex n = 1. Der Wert des Brechungsindex des Mantels 22 liegt somit zweckmäßigerweiεe innerhalb dieser beiden Werte, beispielsweise bei nλ = 1,2. Hierdurch wird erreicht, daß im Kern 20 geführtes Licht nahezu dämpfungsfrei und vollständig an einer Grenzfläche 21 Kern-Mantel reflektiert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abschnitt 24 beziehungsweise ein Fenster 25 vorgesehen, in dem der Kern 20 freiliegt, das heißt vom umhüllenden Mantel 22 befreit ist und mit einer gassensitiven Schicht beziehungsweise einer Optode 12, 13, 14 bedeckt beziehungsweise umhüllt ist. Zweckmäßigerweise weist das Material der Optode 12, 13, 14 einen Wert für den Brechungsindex (n3) auf, der annähernd dem des Kernesis enveloped. The refractive index for light of the core 20 (n 2 ) typically has a significantly higher value than that of the cladding 22 (n x ). If, for example, quartz glass is used as the material for the optical waveguide, this has a refractive index of n 2 = 1.46. For air, the value of the refractive index is n = 1. The value of the refractive index of the cladding 22 is therefore expediently within these two values, for example at n λ = 1.2. This ensures that light guided in the core 20 is reflected almost completely without attenuation and completely at an interface 21 core-shell. In the exemplary embodiment shown, a section 24 or a window 25 is provided in which the core 20 is exposed, that is to say freed from the enveloping jacket 22 and covered or encased with a gas-sensitive layer or an optode 12, 13, 14. The material of the optode 12, 13, 14 expediently has a value for the refractive index (n 3 ) which is approximately that of the core
20 entspricht. Bei Verwendung von Quarzglas als Material für den Kern 20 des Lichtwellenleiters 10 ergeben sich somit die zweckmäßigen Werte für die Brechungsindizes n2 = n3 = 1,46. Hierdurch wird erreicht, daß ein Lichtstrahl eine Grenzfläche 27 Kern-Optode passieren kann, jedoch an einer Grenzfläche 23 Optode-Luft aufgrund der deutlich unterschiedlichen Brechungsindizes vollständig reflektiert wird.20 corresponds. When using quartz glass as the material for the core 20 of the optical waveguide 10, the appropriate values for the refractive indices n 2 = n 3 = 1.46 result. It is thereby achieved that a light beam can pass through an interface 27 core optode, but is completely reflected at an interface 23 optode-air due to the significantly different refractive indices.
Figur 5 zeigt die Reflexionsvorgänge im Lichtwellenleiter 10 in einer schematischen Detailansicht. Gleiche Teile wie in den vorherigen Figuren sind mit 19FIG. 5 shows the reflection processes in the optical waveguide 10 in a schematic detailed view. The same parts as in the previous figures are included 19
gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Erkennbar ist wiederum der Kern 20 mit umhüllendem Mantel 22, der an einem beispielhaften Abschnitt 24 unterbrochen ist. Dort befindet sich eine Optode 12, 13, 14. Ein beispielhaft eingezeichneter Lichtstrahl 30 wird an der Grenzfläche 21 Kern- Mantel aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindi- zes reflektiert und verbleibt somit im Kern 20. Ein weiterer Lichtstrahl 32 kann die Grenzfläche 27 auf- grund der annähernd übereinstimmenden Brechungsindizes ungehindert, das heißt fast verlustfrei, durchdringen und wird dann an der Grenzfläche 23 Optode- Luft reflektiert, was am deutlich niedrigeren Wert des Brechungsindex in Luft (n = 1) als des Wertes für den Brechungsindex der Optode (n3) liegt. Der Lichtstrahl 32 bleibt somit ebenfalls im Kern 20, wird jedoch beim Durchlaufen der Optode 12, 13, 14 je nach Wechselwirkung mit einer bestimmten Substanz signifikant abgeschwächt . Bei geeigneter Ansteuerung des optischen Senders 2 mit einem modulierten Signal und des optischen Empfängers 4 sowie der nachgeschalteten Auswerteeinheit läßt sich diese Signalabschwächung als Detektion einer Substanz auswerten. provided the same reference numerals and not explained again. The core 20 with the enveloping jacket 22, which is interrupted at an exemplary section 24, can again be seen. An optode 12, 13, 14 is located there. A light beam 30 shown by way of example is reflected at the interface 21 core-cladding due to the different refractive indices and thus remains in the core 20. A further light beam 32 can be seen from the interface 27 almost identical refractive indices penetrate unhindered, i.e. almost loss-free, and is then reflected at the interface 23 optode-air, which is due to the significantly lower value of the refractive index in air (n = 1) than the value for the refractive index of the optode (n 3 ) . The light beam 32 thus also remains in the core 20, but is significantly weakened as it passes through the optode 12, 13, 14 depending on the interaction with a specific substance. With a suitable control of the optical transmitter 2 with a modulated signal and the optical receiver 4 and the downstream evaluation unit, this signal weakening can be evaluated as the detection of a substance.

Claims

20Patentansprüche 20 patent claims
1. Optischer Sensor zur Bestimmung wenigstens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters einer Probe, mit wenigstens einem optischen Sender und we- nigstens einem optischen Empfänger und einem in einem Strahlengang zwischen dem wenigstens einen optischen Sender und dem wenigstens einen optischen Empfänger angeordneten und der Probe aussetzbaren, bei Parameteränderung der Probe seine Absorption und/oder sei- nen Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge verändernden, sensitiven Element, insbesondere gassensitiven Element, und gegebenenfalls mit einer dem wenigstens einen optischen Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Sender (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4, 6, 8) über wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten sensitiven Elementen gekoppelt ist.1. Optical sensor for determining at least one physical and / or chemical parameter of a sample, with at least one optical transmitter and at least one optical receiver and one in a beam path between the at least one optical transmitter and the at least one optical receiver and the sample a sensitive element, in particular a gas-sensitive element, which can change its absorption and / or its refractive index for electromagnetic radiation of a certain wavelength, and optionally with an evaluation unit connected downstream of the at least one optical receiver, characterized in that the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4, 6, 8) is coupled to at least two spaced-apart sensitive elements via at least one optical fiber (10).
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitiven Elemente für elektromagnetische Strahlung weitgehend durchlässige Optoden (12, 13, 14) sind, die bei Kontakt mit der Probe ihre Absorptionseigenschaften und/oder ihren Brechungsindex für elektromagnetische Strahlung verändern. 212. Optical sensor according to claim 1, characterized in that the sensitive elements for electromagnetic radiation are largely permeable optodes (12, 13, 14) which change their absorption properties and / or their refractive index for electromagnetic radiation upon contact with the sample. 21
3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe ein Gas und/oder ein Gasgemisch ist.3. Optical sensor according to claim 2, characterized in that the sample is a gas and / or a gas mixture.
4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Optoden (12, 13 ,14) jeweils eine Indikatorsubstanz aufweisen, die bei zumindest indirektem Kontakt mit wenigstens einem bestimmten Gas und/oder bestimmten Gasgemisch chemisch oder physika- lisch reversibel mit dem Gas oder Gasgemisch wechselwirkt .4. Optical sensor according to claim 3, characterized in that the optodes (12, 13, 14) each have an indicator substance which is chemically or physically reversible with the gas with at least indirect contact with at least one specific gas and / or specific gas mixture or gas mixture interacts.
5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkung zu einem Auftreten eines zumindest lokalen Absorptionsmaximums für elektromagnetische Strahlung führt.5. Optical sensor according to claim 4, characterized in that the interaction leads to the occurrence of an at least local absorption maximum for electromagnetic radiation.
6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Absorptionsmaximums für jedes spezifische Gas und/oder Gasgemisch bei unterschiedlichen Wellenlängenwerten der elektromagnetischen Strahlung liegt.6. Optical sensor according to claim 5, characterized in that the position of the absorption maximum for each specific gas and / or gas mixture is at different wavelength values of the electromagnetic radiation.
7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Absorptionsmaximums mit der Konzentration des Wechsel- wirkenden Gases und/oder Gasgemisches korreliert ist.7. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the height of the absorption maximum is correlated with the concentration of the interacting gas and / or gas mixture.
8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über wenigstens einen8. Optical sensor according to one of claims 2 to 7, characterized in that the at least one
Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen optischen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen 22Optical waveguide (10) with the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical transmitter 22
Empfänger (4, 6, 8) gekoppelten wenigstens zwei Optoden (12, 13, 14) in Reihe geschaltet sind.Receivers (4, 6, 8) coupled at least two optodes (12, 13, 14) are connected in series.
9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über wenigstens einen Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen optischen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) gekoppelten wenigstens zwei Optoden (12, 13, 14) parallel geschaltet sind.9. Optical sensor according to one of claims 2 to 7, characterized in that via at least one optical waveguide (10) with the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4, 6, 8) coupled at least two optodes (12, 13, 14) are connected in parallel.
10. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den wenigstens einen optischen Sender (2) mit dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) koppelnde Licht- Wellenleiter (10) einen Lichtsignale annähernd dämpfungsfrei führenden Kern (20) und einen den Kern (20) auf der gesamten Länge des Lichtwellenleiters (10) umhüllenden Mantel (22) aufweist, wobei der Mantel (22) an wenigstens einem Abschnitt (24) ein Fenster (25) aufweist, in dem der Kern (20) vollständig mit einer Optode (12, 13, 14) bedeckt ist.10. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one optical transmitter (2) with the at least one optical receiver (4, 6, 8) coupling light waveguide (10) a light signals almost without attenuation leading core ( 20) and a sheath (22) enveloping the core (20) over the entire length of the optical waveguide (10), the sheath (22) having at least one section (24) a window (25) in which the core ( 20) is completely covered with an optode (12, 13, 14).
11. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der den wenigstens ei- nen optischen Sender (2) mit dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) koppelnde Lichtwellenleiter (10) einen Lichtsignale annähernd dämpfungsfrei führenden Kern (20) und einen den Kern (20) auf der gesamten Länge des Lichtwellenleiters (10) umhüllen- den Mantel (22) aufweist, wobei der Mantel (22) an wenigstens einem Abschnitt (24) unterbrochen ist und 2311. Optical sensor according to one of claims 2 to 9, characterized in that the at least one optical transmitter (2) with the at least one optical receiver (4, 6, 8) coupling optical waveguide (10) carry a light signal almost without attenuation Core (20) and a sheath (22) enveloping the core (20) over the entire length of the optical waveguide (10), the sheath (22) being interrupted at at least one section (24) and 23
der Kern (20) an diesem Abschnitt (24) vollständig von einer Optode (12, 13, 14) umhüllt ist.the core (20) at this section (24) is completely encased by an optode (12, 13, 14).
12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindizes (n2, n3) für Licht des Kernes (20) beziehungsweise der Optode (12, 13, 14) signifikant höhere Werte aufweisen als der Brechungsindex (nx) für Licht des Mantels (22) .12. Optical sensor according to one of claims 10 to 11, characterized in that the refractive indices (n 2 , n 3 ) for light of the core (20) or the optode (12, 13, 14) have significantly higher values than the refractive index ( n x ) for light of the cladding (22).
13. Optischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex (n2) des Kernes (20) und der Brechungsindex (n3) der Optode (12, 13, 14) annähernd gleichgroße Werte aufweisen.13. Optical sensor according to claim 11, characterized in that the refractive index (n 2 ) of the core (20) and the refractive index (n 3 ) of the optode (12, 13, 14) have approximately equal values.
14. Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (10) auf seiner Länge mehrere voneinander beabstandete Abschnitte14. Optical sensor according to claim 13, characterized in that the optical waveguide (10) along its length a plurality of spaced sections
(24) mit auf jeweils gleiche Gase und/oder Gasgemi- sehe sensitiven Optoden (12, 13, 14) aufweist.(24) with optodes (12, 13, 14) sensitive to the same gases and / or gas mixture.
15. Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (10) auf seiner Länge mehrere voneinander beabstandete Abschnitte (24) mit auf jeweils unterschiedliche Gase und/oder Gasgemische sensitiven Optoden (12, 13, 14) aufweist.15. Optical sensor according to claim 13, characterized in that the optical waveguide (10) has a plurality of spaced apart sections (24) along its length with sensitive to different gases and / or gas mixtures optodes (12, 13, 14).
16. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (2) eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine Leuchtdiode (LED) , die so 2416. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the optical transmitter (2) is a source of electromagnetic radiation, in particular a light emitting diode (LED), the so 24
gewählt wird, daß ihr Emissionsspektrum zur gas- sensitiven Absorption der Optode paßt.is chosen so that its emission spectrum matches the gas-sensitive absorption of the optode.
17. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender17. Optical sensor according to one of claims 1 to 15, characterized in that the optical transmitter
(2) eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine Laserlichtquelle, einer diskreten(2) a source of electromagnetic radiation, especially a laser light source, a discrete one
Wellenlänge ist.Wavelength is.
18. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger (4, 6, 8) eine Photodiode ist.18. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the optical receiver (4, 6, 8) is a photodiode.
19. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine19. Optical sensor according to one of claims 14 to 18, characterized in that the at least one
Lichtwellenleiter (10) ringförmig ausgebildet ist.Optical waveguide (10) is annular.
20. Optischer Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei ringförmig ausge- bildete Lichtwellenleiter (10) mit jeweils für unterschiedliche Gase und/oder Gasgemische sensitiven Optoden (12, 13, 14) verwendet werden.20. Optical sensor according to claim 19, characterized in that at least two ring-shaped optical waveguides (10) are used, each with optodes sensitive to different gases and / or gas mixtures (12, 13, 14).
21. Optischer Sensor nach Anspruch 20, dadurch ge- kennzeichnet, daß die wenigstens zwei verwendeten21. Optical sensor according to claim 20, characterized in that the at least two used
Lichtwellenleiter (10) mit einem gemeinsamen optischen Sender (2) versehen sind.Optical fibers (10) are provided with a common optical transmitter (2).
22. Optischer Sensor nach Anspruch 21, dadurch ge- kennzeichnet, daß jeder der wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter (10) mit jeweils einem optischen Empfänger (4, 6, 8) versehen ist. 2522. Optical sensor according to claim 21, characterized in that each of the at least two optical fibers (10) used is each provided with an optical receiver (4, 6, 8). 25th
23. Optischer Sensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen optischen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse vergossen sind.23. Optical sensor according to claim 22, characterized in that the at least two optical fibers used (10) with the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4, 6, 8) are each cast in a common housing.
24. Optischer Sensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei verwendeten Lichtwellenleiter (10) mit dem wenigstens einen optischen Sender (2) und dem wenigstens einen optischen Empfänger (4, 6, 8) jeweils mit Kunststoff vergossen sind.24. Optical sensor according to claim 23, characterized in that the at least two optical fibers used (10) with the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4, 6, 8) are each cast with plastic.
25. Optischer Sensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Sender (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4, 6, 8) räumlich und/oder baulich zusammengefaßt sind.25. Optical sensor according to claim 24, characterized in that the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4, 6, 8) are combined spatially and / or structurally.
26. Optischer Sensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine optische Sender (2) und der wenigstens eine optische Empfänger (4, 6, 8) in einem gemeinsamen Bauteil integriert sind.26. Optical sensor according to claim 25, characterized in that the at least one optical transmitter (2) and the at least one optical receiver (4, 6, 8) are integrated in a common component.
27. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optoden (12, 13, 14) vorzugsweise mit gasförmigen Verbrennungsprodukten wechselwirken.27. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the optodes (12, 13, 14) preferably interact with gaseous combustion products.
28. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit die von wenigstens zwei verschiedenen Opto- 2628. Optical sensor according to one of the preceding claims, characterized in that in the evaluation unit the at least two different opto- 26
den (12, 13, 14) erfaßten Signale hinsichtlich ihrer spezifischen Laufzeiten erfaßbar sind.the (12, 13, 14) detected signals are detectable with regard to their specific transit times.
29. Optischer Sensor nach Anspruch 28, dadurch ge- kennzeichnet, daß unterschiedliche Laufzeiten der von verschiedenen Optoden (12, 13, 14) gelieferten Signale zur Gewinnung einer Ortsinformation auswertbar sind.29. Optical sensor according to claim 28, characterized in that different transit times of the signals supplied by different optodes (12, 13, 14) can be evaluated to obtain location information.
30. Optischer Sensor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere ringförmige Lichtwellenleiter (10) Brände in weiträumigen Arealen detektieren und daß die gelieferten Signale in der Auswerteeinheit hinsichtlich des Brandortes auswertbar sind.30. Optical sensor according to claim 29, characterized in that a plurality of ring-shaped optical waveguides (10) detect fires in large areas and that the signals supplied can be evaluated in the evaluation unit with regard to the location of the fire.
31. Verwendung mindestens einer der optischen Sensoren nach Anspruch 1 bis 30 in Brandmeldern.31. Use of at least one of the optical sensors according to claim 1 to 30 in fire detectors.
32. Verwendung mindestens einer der optischen Senso- ren nach Anspruch 1 bis 29 zur Bestimmung und Überwachung einer Luftgüte in Räumen.32. Use of at least one of the optical sensors according to claims 1 to 29 for determining and monitoring an air quality in rooms.
33. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß mit den erhaltenen Meßwerten Vorrichtungen zur Luftungs- und Klimaregelung in Innenräumen geregelt werden.33. Use according to claim 32, characterized in that devices for air and climate control in indoor spaces are regulated with the measured values obtained.
34. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von CO und/oder C02 erfaßt wird. 2734. Use according to claim 32, characterized in that the concentration of CO and / or C0 2 is detected. 27
35. Verwendung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß mit den erhaltenen Meßwerten Lüftungsanlagen in Tunnels geregelt werden. 35. Use according to claim 32, characterized in that ventilation systems in tunnels are controlled with the measured values obtained.
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