WO2016120088A1 - Faseroptischer vibrations- und temperatursensor - Google Patents

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WO2016120088A1
WO2016120088A1 PCT/EP2016/050712 EP2016050712W WO2016120088A1 WO 2016120088 A1 WO2016120088 A1 WO 2016120088A1 EP 2016050712 W EP2016050712 W EP 2016050712W WO 2016120088 A1 WO2016120088 A1 WO 2016120088A1
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WO
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fiber
vibration sensor
light
optical fiber
fiber optic
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Application number
PCT/EP2016/050712
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Villnow
Joachim Kaiser
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2016120088A1 publication Critical patent/WO2016120088A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G01H9/006—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors the vibrations causing a variation in the relative position of the end of a fibre and another element

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic vibration sensor, in particular for use in a generator.
  • FOA fiber optic acceleration sensors
  • An example of such a FOA operates with a flywheel connected to an optical fiber, which is deflected by the acceleration occurring. The deflection may, for example, be transmitted to a fiber Bragg grating (FBG) which is thereby stretched.
  • FBG fiber Bragg grating
  • a known method is also to convert the deflection of the flywheel into a change in intensity of a light signal.
  • a disadvantage of the known vibration sensors that temperature fluctuations that occur in the generator, affect the measurement signal by the thermal expansion and thermally induced changes in the refractive index. They therefore have an adverse effect on the measurement accuracy. It is an object of the present invention to provide a fiber optic vibration sensor, which reduces or avoids the mentioned disadvantage.
  • an optical fiber is used according to the invention, having a free-standing end.
  • the free end of the optical fiber is deflected by the inertial forces.
  • the fiber termination surface at the freestanding end is close to a tilted mirror. If the glass fiber is deflected, more or less light is reflected back into the glass fiber, depending on the vibration state.
  • the fiber optic vibration sensor comprises an optical fiber having a freestanding end, where ⁇ is vibrated in the free-standing end under the influence of vibrations, and these vibrations are detected as a measure of the vibrations. It further comprises a light source for emitting visible, ultraviolet or infrared light into the optical fiber at a distal end of the fiber, a mirror arranged to reflect a portion of light emerging from the free-standing end into the optical fiber and a detection device for receiving reflected light at the end remote from the freestanding end of the fiber.
  • the invention further arranged in the beam path of the light outside the optical fiber absorption element having a temperature-dependent optical property and an evaluation device configured to determine the temperature of the absorption element from spectral Variegated ⁇ ments of the light and to determine vibrations from intensity changes of the light includes.
  • the spectral composition can be evaluated from ⁇ .
  • a sensor can be created which, in addition to the vibration itself, can also determine the temperature in the region of the freestanding end. This in turn allows the influence of temperature on the Compensate vibration measurement and thus improve the accuracy of measurement.
  • the temperature is advantageously available as a measured value per se.
  • the absorption element is not necessarily a separate structural component.
  • the absorption element can also be realized as an indivisible part of one of the other elements, for example as part of the mirror. In other words, for example, mirror and absorption element can be realized as one element.
  • the absorption element can be realized as a solid, for example as a structural component or as a coating.
  • the absorbent element can also be realized as flues ⁇ stechnik or gas.
  • the absorption element may comprise gallium arsenide.
  • the band gap in GaAs depends to a considerable extent on the Tem ⁇ temperature. This shifts the absorption edge in GaAs with the temperature of about 890 nm at 31 ° C to about 930 nm at 120 ° C. This shift can be easily determined.
  • the absorption element may comprise an optical resonator, for example a Fabry-Perot etalon. Such an element allows only light in narrow resonance areas a transmission.
  • the absorption element may be disposed at the termination of the free-standing end of the optical fiber. Then the light enters the element directly from the optical fiber and is partially passed on there. After exiting the absorption element, the light hits the mirror and is reflected by it. After repeated passage through the absorption element, a portion of the light then passes back to the detector.
  • the absorption element may be angeord ⁇ net at the mirror, for example, as a coating or as a system of coatings.
  • the absorption element in this case on the back side, ie facing away from the fiber end ei ⁇ ne highly reflective layer. This highly reflective layer then serves as a mirror.
  • the length of the fiber is desirably small enough to choose.
  • Fa ⁇ serin is advantageous.
  • a fiber length of 12 to 18 mm for the freest ⁇ immediate end use is selected and according to an advantageous embodiment, the fiber length is 16 mm.
  • a fiber length of 16 mm has been found to be advantageous in terms of resonance frequency and sensitivity.
  • the flywheel is preferably only the weight of the optical fiber. Alternatively, an additional flywheel may be provided.
  • the mass is understood to mean a mass that causes a significant change in the vibration behavior of the optical fiber.
  • An arranged on the free-standing end of the optical fiber GaAs crystal should not be considered a flywheel.
  • the vibration sensor may comprise two or more light sources, the light of one of the light sources being in a wavelength range that is substantially unaffected by the temperature-dependent optical property.
  • a light source can be used whose main or middle wavelength is sufficiently far above an absorption edge, so that the light is almost unaffected by the absorption and thus by a temperature variation in the absorption.
  • Another light source is chosen so that their
  • Main wavelength is just in the range in which the change of the absorption edge by the temperature takes place.
  • a first light source can be used at a wavelength of 1550 nm, for example, to generate the only unommet ⁇ Lich influenced by the GaAs vibration signal.
  • a light source with a broad emitted spectrum can be used.
  • the reflected light can be split into two detection channels.
  • an optical filter for example an edge filter or bandpass filter, can then be present, which filters the light before it falls into the detector.
  • an 8 ° break of the end face is used according to an advantageous embodiment of the invention.
  • the azimuthal orientation of the fiber end relative to the mirror is expediently chosen so that the fracture and the mirror surface include the maximum possible angle.
  • breakage and mirror surface forming the shape of a "V" The oblique end face of the light is slightly down -. Un ⁇ th with respect to the shape of the "V" - broke out of the fiber, about 3.5 °. This reduces the effective angle of incidence on the mirror.
  • the mirror is tilted by between 9 ° and 13 °.
  • the azimuthal Orien ⁇ orientation of the fiber end relative to the mirror is advantageously again that the fracture and the mirror surface angle including the maximum possible so selected.
  • the fracture and mirror surface form the shape of a "V.”
  • the mirror is tilted by 11 °.
  • mirrors and fiber ends may also be arranged to each other such that the included angle is minimized.
  • the inclined mirror surface and the break form a parallelogram-like arrangement.
  • the distance of the glass fiber is from Spie ⁇ gel between 25 and 75 ym is advantageous.
  • the described configuration advantageously results in a relatively linear sensor characteristic curve between acceleration values of 0 and 10 g with a sensitivity of approximately 1% / g.
  • all the elements of the sensor head ⁇ preferably are designed cylindrically symmetrical.
  • the cylindrical sensor is then inserted into a rectangular block.
  • a supply line acts
  • Teflon hose of 3 - 5 mm diameter, in which the glass fiber is loosely laid.
  • a plug for optical fibers for example, type FC-APC or E-2000.
  • FIG. 2 shows a detail of the fiber optic vibration sensor in an enlarged view with a GaAs element on the fiber
  • FIG. 3 shows an enlarged section of the fiber optic vibration sensor with a GaAs element on the mirror
  • FIG. 4 shows a section of the fiber optic vibration sensor in an enlarged view with an optical resonator on the mirror.
  • the fiber-optic vibration sensor 10 shown in FIG. 1 comprises, as an essential element, a glass fiber 11.
  • This fiber is designed as a multimode fiber 62/125 ym.
  • a 16 mm long section of fiberglass 11 is freestanding. At the end of this section ends the glass fiber 11. Following the freestanding section, the glass fiber 11 is fixed in a guide member 16. Subsequently, the glass fiber reinforced ⁇ ser 11 is loosely guided in a 3.7 mm diameter Teflon tubing 15 °.
  • the end of the Teflon tube 15 is included along with the Füh ⁇ approximately element 16 of a first sleeve 19th To the first sleeve 19, a second sleeve 12 is provided.
  • the two ⁇ th sleeve 12 extends from the region of the first sleeve over the free-standing portion of the glass fiber 11 away.
  • the front side, ie where the glass fiber ends 11, the second sleeve 12 finds an at an angle of 11 °
  • a block-shaped element 13 encloses the previously described enclosed structure of the height of the Al-glass mirror 14 to the ERS ⁇ th sleeve 19.
  • the cuboidal element 13 and the sleeve 12 may also be fused into a single component.
  • An enlarged but not to scale representation of the end of the glass fiber 11 in relation to the Al-glass mirror 14 is shown in FIG. 2.
  • the free-standing end of the glass fiber 11 is terminated with a GaAs crystal element 25, so that incident and precipitating light is the GaAs - Crystal element 25 must pass.
  • ⁇ radiated light thus passes through the GaAs crystal element 25 and exits from this in a free-jet path.
  • the Al glass mirror 14 the light is reflected and a part of the light re-enters the GaAs crystal element 25 and then back into the glass fiber 11.
  • the Al glass mirror 14 which is no longer completely depicted in the magnification shown in FIG. 2, is arranged at an angle 18 of 11 ° to the normal plane of the glass fiber axis.
  • the distance 21 between the end of the glass fiber 11 and the Al glass mirror 14 is 50 ym in this example.
  • This embodiment is based on the principle of Tempera ⁇ turcombkeit the band gap of the semiconductor
  • Gallium arsenide If the energy of a photon is greater than the energy difference between the conduction and valence bands of the semiconductor, it is absorbed. At a temperature Increasing the energy difference of the band gap decreases, so that photons are absorbed with less energy.
  • the spectrum reflected on the Al glass mirror 14 is evaluated, for example, by means of a spectrometer.
  • the spectral position of the absorpti ⁇ onskante clearly shows from which wavelength or from wel ⁇ cher energy photons can no longer be absorbed.
  • it can be evaluated via the spectrometer, which share of the light not affected by the absorption edge finds its way to the detector, ie which vibrations are present.
  • FIG. 3 A second embodiment is shown in FIG. 3.
  • the end of the glass fiber 11 is chamfered by a break. As a result, back reflections at the end of the glass fiber 11 itself are greatly reduced.
  • the angle 20 is 8 ° in this embodiment.
  • the Al glass mirror 14 of the first embodiment is replaced by a GaAs mirror 31 in the second embodiment.
  • the GaAs-mirror 31 is disposed at an angle 18 of 11 ° to the plane of the fiber optic male Nor ⁇ axis.
  • the distance 21 Zvi ⁇ rule the end of the optical fiber 11 and the GaAs loading mirror 31 is, in this example, 50 ym.
  • the chamfers of the GaAs mirror 31 and the glass fiber 11 are aligned with each other so that they include the maximum angle to each other ⁇ Shen. Viewed from the side as in Figure 3 are the FLAE ⁇ chen by their relative position while the shape of a "V".
  • the GaAs mirror 31 itself comprises on its side facing the glass fiber 11 an antireflection layer 28 which reduces the reflection of light without passing through the GaAs verrin ⁇ .
  • the GaAs mirror 31 has a highly reflective layer 24 to ensure the function of the mirror.
  • the highly reflective layer may comprise one or more layers of material ⁇ lien or more layer sequences exist.
  • the high-reflectance layer may comprise a reflective layer of aluminum, silver or gold covered by a protective layer of SiO 2.
  • Another Mög ⁇ friendliness are dielectric layer sequences from materials having different refractive indices, which provide a multi-beam interference caused by highly reflective layer for certain Wel ⁇ lendorfn.
  • the GaAs mirror may include a mirror such as the Al glass mirror 14 used in the first embodiment on which a GaAs crystal is disposed.
  • the GaAs crystal can be glued for example to the Al-glass mirrors 14, wherein the Al-glass mirror 14 to ⁇ equal serves as a carrier.
  • the highly reac- inflecting layers being adapted to be optionally applied to an adhesion-promoting layer such as chromium, which may for example be applied to a suitable glass or Saphirsub ⁇ strat.
  • the layers can be applied, for example, by vapor deposition or sputtering.
  • the structure of the Sen ⁇ sors further changed compared to the first execution ⁇ such that two light-emitting diodes are used as light source.
  • a first light-emitting diode generates light in the wavelength range of 1500 nm.
  • the GaAs crystal is substantially transparent.
  • Light-emitting diode generates light of approx. 900 nm wavelength. This is strongly influenced by the absorption of the GaAs and above all by the change of the absorption by the temperature.
  • the light of the two light-emitting diodes can be guided in the optical fiber 11 by coupling both light sources into the optical fiber 11, for example by means of a suitable fiber-optic coupler.
  • the reflected light can in turn be guided by means of a suitable fiber-optic coupler into different detection channels of the evaluation unit.
  • a suitable filter in front of a photodiode By upstream of a suitable filter in front of a photodiode, the short-wave, temperature-dependent component of the reflected spectrum at 850-900nm be suppressed and only the amplitude-modulated component of the light to the off ⁇ evaluation of the acceleration signal are used.
  • a third embodiment is shown in FIG.
  • the Al-glass mirror 14 is out of the first exporting approximately ⁇ for example replaced by a Fabry-Perot etalon 45. This embodiment is based on the principle of Interferomet- rie, wherein two partially reflecting mirrors high
  • the medium between the mirrors may be, for example, air, glass or another suitable material. Due to multiple reflection and constructive superposition, spectrally narrow transmission maxima form, which must satisfy the resonance condition.
  • the spacing of individual transmission maxima is essentially dependent on the distance of the mirror ⁇ ⁇ surfaces and the refractive index of the traversed from etalons, wherein each of the mirror separation and the Bre ⁇ chung index are temperature dependent.
  • a flyreflektie ⁇ - generating layer is arranged on the back of Eta Ions, which faces away from the glass fiber 11. This can supplement or replace the partially reflecting layer of the etalon.
  • the highly reflective layer can be constructed as in the secondmonysbei ⁇ game.
  • the etalon may also be glued to a mirror, such as an Al-glass mirror 14, which serves as a support.
  • the signal evaluation can be carried out, for example, by spectrometers or suitable filter combinations of bandpass, longpass and / or shortpass filters. As a result, the temperature-dependent portion of the reflected spectrum can be evaluated become. If the temperature is needed as an independent measurement signal, it can be determined this way.
  • bhfiti- ge portion of the reflected spectrum is divided by a fiber optical coupler ⁇ rule on two detection channels, each with a Photodi ⁇ ode.
  • Each detection channel contains a suitable edge filter in front of the photodiode.
  • Quotient method for evaluating the two Detektionskanä- le can be made of temperature-dependent spectral shape of the reflected spectrum to the temperature at the sensor ge ⁇ closed. By a calibration procedure at different temperature points and acceleration values, a functional relationship of both quantities is created, whereby the temperature-compensated acceleration values can be calculated by interpolation methods also for non-calibrated intermediate values.

Abstract

Es wird ein faseroptischer Vibrationssensor mit einer optischen Faser, die ein freistehendes Ende aufweist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Vibrationen in Schwingungen versetzt wird, und diese Schwingungen als Maß für die Vibrationen detektiert werden, einer Lichtquelle zur Emission von Licht in die optische Faser an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser, einem Spiegel, der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser zurückzuwerfen und einer Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser angegeben. Der Vibrationssensor umfasst ein im Strahlengang des Lichts außerhalb der optischen Faser angeordnetes Festkörper-Element mit einer temperaturabhängigen optischen Eigenschaft und eine Auswerteeinrichtung, ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur des Festkörper-Elements aus spektralen Veränderungen des Lichts sowie zur Ermittlung von Vibrationen aus Intensitätsänderungen des Lichts.

Description

Beschreibung
FASEROPTISCHER VIBRATIONS- UND TEMPERATURSENSOR Die Erfindung betrifft einen Faseroptischen Vibrationssensor, insbesondere zur Anwendung in einem Generator.
Generatoren im Kraftwerksbereich weisen unter anderem im Bereich des Wickelkopfes Schwingungen in der doppelten Netzfre- quenz auf. Bei zu hohen Amplituden der Stabschwingungen können Schäden an der Isolierung bzw. am Kupfer auftreten. Die Schäden können zur Zerstörung des Generators führen. Da sich der Wickelkopf auf Hochspannungspotenzial befindet, werden zur Überwachung solcher Schwingungen zunehmend faseroptische Beschleunigungssensoren eingesetzt (sog. FOA = fiber optical accelerometer) . Ein Beispiel für einen solchen FOA arbeitet mit einer mit einer optischen Faser verbundenen Schwungmasse, die durch die auftretende Beschleunigung ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann beispielsweise auf ein Faser Bragg Gitter (FBG) übertragen werden, das dadurch gedehnt wird. Ein bekanntes Verfahren ist auch, die Auslenkung der Schwungmasse in eine Intensitätsänderung eines Lichtsignals umzuwandeln.
Nachteilig an den bekannten Vibrationssensoren ist, dass Tem- peraturschwankungen, die im Generator auftreten, durch die thermische Ausdehnung und thermisch bedingte Änderungen im Brechungsindex das Messsignal beeinflussen. Sie wirken sich daher nachteilig auf die Messgenauigkeit aus. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Vibrationssensor anzugeben, der den genannten Nachteil vermindert oder vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch einen faseroptischen Vibrationssen- sor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung . Dabei wird erfindungsgemäß eine optische Faser verwendet, die ein freistehendes Ende aufweist. Das frei stehende Ende der optischen Faser wird durch die Trägheitskräfte ausgelenkt. Die Faserabschlussfläche am freistehenden Ende steht dicht vor einem schräg gestellten Spiegel. Wird die Glasfaser ausgelenkt, wird je nach Schwingungszustand mehr oder weniger Licht in die Glasfaser zurück reflektiert.
Der erfindungsgemäße faseroptische Vibrationssensor umfasst eine optische Faser, die ein freistehendes Ende aufweist, wo¬ bei das freistehende Ende unter dem Einfluss von Vibrationen in Schwingungen versetzt wird, und diese Schwingungen als Maß für die Vibrationen detektiert werden. Er umfasst weiterhin eine Lichtquelle zur Emission von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht in die optische Faser an einem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser, einen Spiegel, der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser zurückzuwerfen sowie eine Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfenem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser .
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein im Strahlengang des Lichts außerhalb der optischen Faser angeordneten Absorptions- Element mit einer temperaturabhängigen optischen Eigenschaft und eine Auswerteeinrichtung, ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur des Absorptions-Elements aus spektralen Verände¬ rungen des Lichts sowie zur Ermittlung von Vibrationen aus Intensitätsänderungen des Lichts umfasst.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass neben der Intensitäts¬ schwankung durch die Schwingungen auch andere Eigenschaften des Lichts, beispielsweise die spektrale Zusammensetzung aus¬ gewertet werden können. Vorteilhaft kann so ein Sensor ge- schaffen werden, der neben der Vibration selbst auch die Temperatur im Bereich des freistehenden Endes ermitteln kann. Damit wiederum lässt sich der Einfluss der Temperatur auf die Messung der Vibration kompensieren und somit vorteilhaft die Messgenauigkeit verbessern.
Weiterhin ist dabei vorteilhaft, dass abgesehen von dem Ab- sorptions-Element keine zusätzlichen baulichen Elemente nötig sind, um die Temperaturdetektion zu ermöglichen. Lediglich die Auswertungseinrichtung muss an die Ermittlung von Vibration und Temperatur angepasst sein: Die Baugröße des Vibrati¬ onssensors ändert sich daher ebenfalls nicht. Neben der Kom- pensation von Einflüssen der Temperatur auf die Vibrationsmessung steht die Temperatur als Messwert an sich vorteilhaft zur Verfügung.
Bei dem Absorptions-Element handelt es sich nicht notwendi- gerweise um ein separates Strukturbauteil. Das Absorption- Element kann auch als unteilbarer Anteil eines der anderen Elemente realisiert sein wie beispielsweise als Teil des Spiegels. Mit anderen Worten können beispielsweise Spiegel und Absorptions-Element als ein Element realisiert sein.
Im Weiteren werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung genannt:
- Das Absorptions-Element kann als Festkörper realisiert sein, beispielsweise als Strukturbauteil oder als Beschich- tung. Alternativ kann das Absorptionselement auch als Flüs¬ sigkeit oder Gas realisiert sein.
- Das Absorptions-Element kann Galliumarsenid umfassen. Der Bandabstand in GaAs hängt in erheblicher Weise von der Tem¬ peratur ab. Dadurch verschiebt sich die Absorptionskante in GaAs mit der Temperatur von ca. 890 nm bei 31 °C zu ca. 930 nm bei 120 °C. Diese Verschiebung lässt sich gut ermitteln. - Das Absorptions-Element kann einen optischen Resonator umfassen, beispielsweise ein Fabry-Perot-Etalon . Ein solches Element erlaubt nur Licht in schmalen Resonanzbereichen eine Transmission. Das Absorptions-Element kann am Abschluss des freistehenden Endes der optischen Faser angeordnet sein. Dann tritt das Licht direkt aus der optischen Faser in das Element ein und wird dort teilweise weitergeleitet. Nach Austritt aus dem Absorptions-Element trifft das Licht auf den Spiegel und wird von diesem zurückgeworfen. Nach nochmaligen Durchtritt durch das Absorptions-Element läuft ein Teil des Lichts dann zurück zum Detektor.
Alternativ kann das Absorptions-Element am Spiegel angeord¬ net sein, beispielsweise als Beschichtung oder als System von Beschichtungen . Bevorzugt weist das Absorptions-Element in diesem Fall rückseitig, d.h. abgewandt vom Faserende ei¬ ne hochreflektierende Schicht auf. Diese hochreflektierende Schicht dient dann als Spiegel.
Um die Resonanzfrequenz ausreichend hoch gegenüber der Betriebsfrequenz zu halten, typischerweise 400 Hz, ist die Länge der Faser zweckmäßig klein genug zu wählen. Für eine hohe Empfindlichkeit hingegen ist eine möglichst große Fa¬ serlänge vorteilhaft. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Standard-Multimode-Faser 62/125 ym eine Faserlänge zwischen 12 und 18 mm für das freiste¬ hende Ende verwendet. Insbesondere wird eine Faserlänge von zwischen 15 und 17 mm gewählt und gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Faserlänge 16 mm. Eine Faserlänge von 16 mm hat sich als vorteilhaft bezüglich der Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit herausgestellt.
Als Schwungmasse dient bevorzugt nur das Eigengewicht der optischen Faser. Alternativ kann auch eine zusätzliche Schwungmasse vorgesehen sein. Dabei wird unter der Schwungmasse eine Masse verstanden, die eine erhebliche Änderung des Schwingverhaltens der optischen Faser bewirkt. Ein auf dem freistehenden Ende der optischen Faser angeordneter GaAs-Kristall soll nicht als Schwungmasse gelten. - Der Vibrationssensor kann zwei oder mehr Lichtquellen umfassen, wobei das Licht einer der Lichtquellen in einem Wellenlängenbereich liegt, der von der temperaturabhängigen optischen Eigenschaft im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise eine Lichtquelle verwendet werden, deren Haupt- oder mittlere Wellenlänge ausreichend weit oberhalb einer Absorptionskante liegt, so dass das Licht nahezu unbeeinflusst von der Absorption und damit auch von einer Temperaturvariation in der Absorption ist. Eine weitere Lichtquelle wird so gewählt, dass ihre
Hauptwellenlänge gerade in dem Bereich liegt, in dem sich die Änderung der Absorptionskante durch die Temperatur vollzieht. Im Falle von GaAs als Absorptions-Element kann beispielsweise eine erste Lichtquelle bei einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet werden, um das vom GaAs nur unwesent¬ lich beeinflusste Vibrationssignal zu erzeugen. Eine weite¬ re Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 900 nm hingegen dient der Temperaturbestimmung. - Alternativ kann eine Lichtquelle mit breitem emittiertem Spektrum verwendet werden.
- Mit einem faseroptischen Koppler kann das zurückgeworfene Licht in zwei Detektionskanäle aufgeteilt werden. Für jeden der Detektionskanäle kann dann ein optischer Filter, beispielsweise ein Kantenfilter oder Bandpassfilter vorhanden sein, der das Licht filtert, bevor es in den Detektor fällt. Um Rückreflexionen an der Abschlussfläche der optischen Faser zu vermeiden, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein 8°-Bruch der Endfläche verwendet. Die azimutale Orientierung des Faserendes relativ zum Spiegel wird zweckmäßig so gewählt, dass der Bruch und die Spiegelfläche den maximal möglichen Winkel einschließen. Mit anderen Worten bilden Bruch und Spiegelfläche die Form eines „V". Durch die schräge Abschlussfläche wird das Licht etwas nach unten - un¬ ten mit Bezug auf die Form des „V" - aus der Faser gebrochen, um ca. 3,5°. Dadurch wird der effektive Einstrahlwinkel auf den Spiegel verringert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Spiegel um zwischen 9° und 13° gekippt. Die azimutale Orien¬ tierung des Faserendes relativ zum Spiegel wird zweckmäßig wieder so gewählt, dass der Bruch und die Spiegelfläche den maximal möglichen Winkel einschließen. Mit anderen Worten bilden Bruch und Spiegelfläche ein die Form eines „V". Insbe- sondere wird der Spiegel um 11° gekippt.
Alternativ können Spiegel und Faserende auch so zueinander angeordnet sein, dass der eingeschlossene Winkel minimiert wird. Mit anderen Worten bilden die schräge Spiegelfläche und der Bruch eine Parallelogramm-artige Anordnung.
Vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der Glasfaser vom Spie¬ gel zwischen 25 und 75 ym beträgt. Mit der beschriebenen Konfiguration ergibt sich vorteilhaft eine relativ lineare Sen- sorkennlinie zwischen Beschleunigungswerten von 0 und 10 g mit einer Empfindlichkeit von etwa 1 %/g.
Zur Vereinfachung des Aufbaus sind alle Elemente des Sensor¬ kopfes vorzugsweise zylindersymmetrisch ausgeführt. Der zy- lindrische Sensor wird dann in einen rechteckigen Block eingesetzt. Als Zuleitung fungiert beispielsweise ein
Teflonschlauch von 3 - 5 mm Durchmesser, in dem die Glasfaser lose verlegt ist. Am Ende der Zuleitung befindet sich ein Stecker für Lichtwellenleiter, beispielsweise Typ FC-APC oder E-2000.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche- matisiert und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu darge¬ stellt. Dabei zeigen Figur 1 einen faseroptischen Vibrationssensor mit einem Spiegel,
Figur 2 einen Ausschnitt des faseroptischen Vibrationssensors in vergrößerter Darstellung mit einem GaAs-Element auf der Faser,
Figur 3 einen Ausschnitt des faseroptischen Vibrationssensors in vergrößerter Darstellung mit einem GaAs-Element auf dem Spiegel,
Figur 4 einen Ausschnitt des faseroptischen Vibrationssensors in vergrößerter Darstellung mit einem optischen Resonator auf dem Spiegel.
Der in Figur 1 gezeigte faseroptische Vibrationssensor 10 um- fasst als ein wesentliches Element eine Glasfaser 11. Diese ist als Multimode-Faser 62/125 ym ausgeführt. Ein 16 mm langer Abschnitt der Glasfaser 11 ist freistehend. Am Ende die- ses Abschnitts endet die Glasfaser 11. Im Anschluss an den freistehenden Abschnitt ist die Glasfaser 11 in einem Führungselement 16 fixiert. Im weiteren Verlauf ist die Glasfa¬ ser 11 lose in einem 3,7 mm durchmessenden Teflonschlauch 15 geführt .
Das Ende des Teflonschlauchs 15 ist zusammen mit dem Füh¬ rungselement 16 von einer ersten Hülse 19 umfasst. Um die erste Hülse 19 ist eine zweite Hülse 12 vorgesehen. Die zwei¬ te Hülse 12 erstreckt sich vom Bereich der ersten Hülse über den freistehenden Abschnitt der Glasfaser 11 hinweg. Stirnseitig, d.h. dort, wo die Glasfaser 11 endet, findet die zweite Hülse 12 einen unter einem Winkel von 11°
angeschrägten Abschluss, der sich bei der zylinderförmigen zweiten Hülse 12 in einem kreisringförmigen, angeschrägten Ende 17 zeigt. Die zweite Hülse 12 selbst ist an dieser Stel¬ le offen, wird aber durch einen Al-Glas-Spiegel 14 abge¬ schlossen. Der Al-Glas-Spiegel 14 ist per Klebung auf dem ab- geschrägten Ende befestigt, so dass der Al-Glas-Spiegel 14 selbst schräg zur Normal-Ebene der Faserachse angebracht ist.
Ein quaderförmiges Element 13 umschließt den bisher beschrie- benen Aufbau von der Höhe des Al-Glas-Spiegel 14 bis zur ers¬ ten Hülse 19. Durch die Hülsen 19, 12 und das quaderförmige Element 13 sowie den Al-Glas-Spiegel 14 und das Führungsele¬ ment 16 wird der freistehende Abschnitt der Glasfaser 11 völ¬ lig von der Außenwelt abgeschlossen, so dass keine Störein- flüsse von außen auf eine Messung wirken.
Das quaderförmige Element 13 und die Hülse 12 können auch zu einem einzigen Bauelement verschmolzen sein. Eine vergrößerte, aber nicht maßstabsgetreue Darstellung des Endes der Glasfaser 11 in Relation zum Al-Glas-Spiegel 14 zeigt die Figur 2. Das freistehende Ende der Glasfaser 11 ist dabei mit einem GaAs-Kristallelement 25 abgeschlossen, so dass einfallendes und ausfallendes Licht das GaAs- Kristallelement 25 passieren muss. In die Glasfaser 11 einge¬ strahltes Licht durchläuft also das GaAs-Kristallelement 25 und tritt aus diesem aus in eine Freistrahlstrecke. Am Al- Glas-Spiegel 14 wird das Licht reflektiert und ein Teil des Lichts tritt wieder in das GaAs-Kristallelement 25 ein und danach zurück in die Glasfaser 11.
Der Al-Glas-Spiegel 14, der in der gezeigten Vergrößerung in Figur 2 nicht mehr vollständig abgebildet ist, ist in einem Winkel 18 von 11° zur Normalebene der Glasfaserachse angeord- net. Der Abstand 21 zwischen dem Ende der Glasfaser 11 und dem Al-Glas-Spiegel 14 beträgt in diesem Beispiel 50 ym.
Diese Ausführungsvariante beruht auf dem Prinzip der Tempera¬ turabhängigkeit des Bandabstandes des Halbleiters
Galliumarsenid (GaAs) . Ist die Energie eines Photons größer als die Energiedifferenz zwischen Leitungs- und Valenzband des Halbleiters, wird es absorbiert. Bei einer Temperaturer- höhung verringert sich die Energiedifferenz der Bandlücke, wodurch Photonen schon mit weniger Energie absorbiert werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das am Al-Glas- Spiegel 14 reflektierte Spektrum beispielsweise mittels eines Spektrometers ausgewertet. Die spektrale Lage der Absorpti¬ onskante zeigt deutlich, ab welcher Wellenlänge bzw. ab wel¬ cher Energie Photonen nicht mehr absorbiert werden können. Gleichzeitig kann über das Spektrometer ausgewertet werden, welcher Anteil des nicht von der Absorptionskante betroffenen Lichts den Weg zum Detektor findet, d.h. welche Vibrationen vorliegen .
Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt Figur 3. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Ende der Glasfaser 11 durch einen Bruch abgeschrägt. Dadurch werden Rückreflexionen am Ende der Glasfaser 11 selbst stark verringert. Der Winkel 20 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 8°. Der Al-Glas-Spiegel 14 aus dem ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbei- spiel ersetzt durch einen GaAs-Spiegel 31.
Der GaAs-Spiegel 31 ist in einem Winkel 18 von 11° zur Nor¬ malebene der Glasfaserachse angeordnet. Der Abstand 21 zwi¬ schen dem Ende der Glasfaser 11 und dem GaAs-Spiegel 31 be- trägt in diesem Beispiel 50 ym. Die Abschrägungen vom GaAs- Spiegel 31 und der Glasfaser 11 sind so aufeinander ausgerichtet, dass sie den maximalen Winkel zueinander einschlie¬ ßen. Von der Seite betrachtet wie in Figur 3 bilden die Flä¬ chen durch ihre relative Lage dabei die Form eines „V".
Der GaAs-Spiegel 31 selbst umfasst an seiner der Glasfaser 11 zugewandten Seite eine Antireflektionsschicht 28, die die Reflektion von Licht ohne Durchtritt durch das GaAs verrin¬ gert. An der der Glasfaser 11 abgewandten Seite weist der GaAs-Spiegel 31 eine hochreflektierende Schicht 24 auf, um die Funktion des Spiegels zu gewährleisten. Die hochreflektierende Schicht kann aus einem oder mehreren Schichtmateria¬ lien oder mehreren Schichtfolgen bestehen. Beispielsweise kann die hochreflektierende Schicht eine Reflektionsschicht aus Aluminium, Silber oder Gold umfassen, die durch eine schützende Schicht aus Si02 bedeckt werden. Eine weitere Mög¬ lichkeit sind dielektrische Schichtfolgen aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, welche für bestimmte Wel¬ lenlängen eine durch Vielstrahlinterferenz bedingte hochreflektierende Schicht ergeben.
Alternativ kann der GaAs-Spiegel einen Spiegel wie beispiels- weise den im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Al-Glas- Spiegel 14 umfassen, auf dem ein GaAs-Kristall angeordnet ist. Der GaAs-Kristall kann beispielsweise auf den Al-Glas- Spiegel 14 geklebt sein, wobei der Al-Glas-Spiegel 14 zu¬ gleich als Träger dient. Auch hier sind die genannten hochre- flektierenden Schichten geeignet, die gegebenenfalls auf eine haftvermittelnde Schicht wie Chrom aufgebracht werden, wobei diese beispielsweise auf ein geeignetes Glas- oder Saphirsub¬ strat aufgebracht werden können. Die Schichten können beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht sein.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird ist der Aufbau des Sen¬ sors weiterhin dahingehend gegenüber dem ersten Ausführungs¬ beispiel geändert, dass zwei Leuchtdioden als Lichtquelle zum Einsatz kommen. Dabei erzeugt eine erste Leuchtdiode Licht im Wellenlängenbereich von 1500 nm. Für dieses Licht ist der GaAs-Kristall im Wesentlichen transparent. Eine zweite
Leuchtdiode erzeugt Licht von ca. 900 nm Wellenlänge. Dieses wird stark von der Absorption das GaAs und vor allem von der Änderung der Absorption durch die Temperatur beeinflusst.
Hierbei kann das Licht der beiden Leuchtdioden in der Glasfaser 11 geführt werden, indem beide Lichtquellen beispielsweise mittels eines geeigneten faseroptischen Kopplers in die Glasfaser 11 eingekoppelt werden. Das reflektierte Licht kann wiederum mittels eines geeigneten faseroptischen Kopplers in unterschiedliche Detektionskanäle der Auswerteeinheit geführt werden. Durch Vorschalten eines geeigneten Filters vor eine Photodiode kann der kurzwellige, temperaturabhängige Anteil des reflektierten Spektrums bei 850-900nm unterdrückt werden und nur der amplitudenmodulierte Anteil des Lichts zur Aus¬ wertung des Beschleunigungssignales herangezogen werden. Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 dargestellt. Hierbei ist der Al-Glas-Spiegel 14 aus dem ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel ersetzt durch ein Fabry-Perot-Etalon 45. Diese Ausführungsvariante beruht auf dem Prinzip der Interferomet- rie, wobei zwei teilreflektierende Spiegel hoher
Reflektivität einen optischen Resonator bilden und den Etalon abschließen. Das Medium zwischen den Spiegeln kann beispielsweise Luft, Glas oder ein anderes geeignetes Material sein. Durch Mehrfachreflektion und konstruktive Überlagerung bilden sich spektral schmale Transmissionsmaxima aus, welche der Re- sonanzbedingung genügen müssen. Der Abstand einzelner Transmissionsmaxima ist im Wesentlichen vom Abstand der Spiegel¬ flächen und dem Brechungsindex des durchlaufenen Etalons ab¬ hängig, wobei sowohl der Spiegelabstand als auch der Bre¬ chungsindex temperaturabhängig sind. Durch eine geschickte Wahl der Materialstärke, der Oberflächenbeschichtung und des Brechungsindex kann die Finesse und damit die Resonanzüberhö¬ hung eingestellt werden.
Im dritten Ausführungsbeispiel ist auf der Rückseite des Eta- Ions, die der Glasfaser 11 abgewandt ist, eine hochreflektie¬ rende Schicht angeordnet. Diese kann die teilreflektierende Schicht des Etalons ergänzen oder ersetzen. Die hochreflektierende Schicht kann dabei wie im zweiten Ausführungsbei¬ spiel aufgebaut sein. Wie das GaAs im zweiten Ausführungsbei- spiel kann auch das Etalon einen Spiegel wie beispielsweise einen Al-Glas-Spiegel 14 geklebt werden, der als Träger dient .
Die Signalauswertung kann beispielsweise durch Spektrometer oder geeignete Filterkombinationen von Bandpass, Langpass¬ und/oder Kurzpass-Filtern erfolgen. Dadurch kann der temperaturabhängige Anteil des reflektierten Spektrums ausgewertet werden. Falls die Temperatur als eigenständiges Messsignal benötigt wird, kann sie so ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der temperaturabhängi- ge Anteil des reflektierten Spektrums durch einen faseropti¬ schen Koppler auf zwei Detektionskanäle mit je einer Photodi¬ ode aufgeteilt. Jeder Detektionskanal enthält hierbei einen geeigneten Kantenfilter vor der Photodiode. Durch ein
Quotientenverfahren zur Auswertung der beiden Detektionskanä- le kann aus der temperaturabhängigen spektralen Form des reflektierten Spektrums auf die Temperatur am Sensorort ge¬ schlossen werden. Durch ein Kalibrierverfahren bei unterschiedlichen Temperaturpunkten und Beschleunigungswerten wird ein funktionaler Zusammenhang beider Größen erstellt, wobei die temperaturkompensierten Beschleunigungswerte durch Interpolationsverfahren auch für nicht einkalibrierte Zwischenwerte berechnet werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Faseroptischer Vibrationssensor (10) mit
- einer optischen Faser (11), die ein freistehendes Ende auf- weist, wobei das freistehende Ende unter dem Einfluss von
Vibrationen in Schwingungen versetzt wird, und diese
Schwingungen als Maß für die Vibrationen detektiert werden,
- einer Lichtquelle zur Emission von sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht in die optische Faser (11) an ei- nem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser (11),
- einem Spiegel (14, 24, 45), der angeordnet ist, einen Teil von aus dem freistehenden Ende austretendem Licht in die optische Faser (11) zurückzuwerfen,
- einer Detektionseinrichtung zur Aufnahme von zurückgeworfe- nem Licht an dem dem freistehenden Ende abgewandten Ende der Faser (11),
gekennzeichnet durch
- ein im Strahlengang des Lichts außerhalb der optischen Faser (11) angeordneten Absorptions-Element (25, 31, 45) mit einer temperaturabhängigen optischen Eigenschaft,
- eine Auswerteeinrichtung, ausgestaltet zur Ermittlung der Temperatur des Festkörper-Elements (25, 31, 45) aus spekt¬ ralen Veränderungen des Lichts sowie zur Ermittlung von Vibrationen aus Intensitätsänderungen des Lichts.
2. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das Absorptions-Element (25, 31, 45) einen Festkörper um- fasst .
3. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Absorptions-Element (25, 31, 45)
Galliumarsenid umfasst.
4. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Absorptions-Element (25, 31, 45) einen opti- sehen Resonator umfasst.
5. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Absorptions-Element (25, 31, 45) eine hochreflektierende Schicht (24) umfasst, die als Spiegel (14, 24) dient.
6. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Absorptions-Element (25) am Abschluss des freistehenden Endes der optischen Faser (11) angeordnet ist.
7. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Länge des freistehenden Endes zwischen 12 und 18 mm beträgt, insbesondere zwischen 15 und 17 mm.
8. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer optischen Faser (11) mit den Maßen 62/125 ym.
9. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abschlussfläche des frei¬ stehenden Endes durch einen Bruch der optischen Faser (11) gebildet wird, der einen Winkel von zwischen 5° und 11°, ins¬ besondere zwischen 7° und 9°, zur Ebene aufweist, die senk- recht auf der Faserachse steht.
10. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Bruch der optischen Faser (11) und der Spiegel (14, 24, 45) so zueinander parallel oder gegenläufig ausgerichtet sind.
11. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Abstand zwischen der Faserabschlussfläche und dem Spiegel (14, 24, 45) zwischen 25 ym und 75 ym beträgt.
12. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Schwungmasse nur das Ei- gengewicht der optischen Faser (11) oder nur das Eigengewicht der optischen Faser (11) mit Absorptions-Element (25) dient.
13. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit zwei oder mehr Lichtquellen, wobei das Licht einer der Lichtquellen in einem Wellenlängenbereich liegt, der von der temperaturabhängigen optischen Eigenschaft im Wesentlichen unbeeinflusst ist.
14. Faseroptischer Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem faseroptischen Koppler zur Aufteilung des zurückgeworfenen Lichts in zwei Detektionska- näle und einem optischen Filter je Detektionskanal.
15. Elektrische Maschine, insbesondere Generator, mit wenigs¬ tens einem faseroptischen Vibrationssensor (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
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