WO2018041718A1 - Optischer magnetfeldsensor - Google Patents

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WO2018041718A1
WO2018041718A1 PCT/EP2017/071353 EP2017071353W WO2018041718A1 WO 2018041718 A1 WO2018041718 A1 WO 2018041718A1 EP 2017071353 W EP2017071353 W EP 2017071353W WO 2018041718 A1 WO2018041718 A1 WO 2018041718A1
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WO
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magnetic field
resonator
membrane
generator
measuring
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PCT/EP2017/071353
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French (fr)
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Mathias Müller
Markus Schmid
Manuel Mai
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fos4X GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028—Electrodynamic magnetometers
    • G01R33/0286—Electrodynamic magnetometers comprising microelectromechanical systems [MEMS]

Definitions

  • a light guide comprising a light guide, a membrane having a membrane surface and an optical resonator formed between the membrane surface and a substrate surface.
  • the device also includes a magnet disposed on the membrane.
  • Further examples relate to a method which comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind turbine with at least one rotor blade. The method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator.
  • magnetic field sensors are known which are based on the Hall effect or an xMR effect, such as TMR, AMR or GMR. In such magnetic field sensors, the magnetic field sensor is read out electrically.
  • magnetic field sensors have certain disadvantages and limitations. For example, due to the electrical readout of the sensor unit, it may be possible for magnetic fields at the location of the sensor unit in the electrical supply lines and / or in the electrical circuit of the sensor unit to produce undesired interference effects. For example, eddy currents can occur. Such disturbing effects can, for example, impair the measuring accuracy of the magnetic field sensors.
  • CN101852840 A discloses a Fabry-Perot based magnetic field sensor.
  • Such a magnetic field sensor has the disadvantage that the attachment of the light guide in the region of the resonator is not very robust. This can lead to interference due to the movement of the light guide.
  • a sensor based on an optical microelectromechanical system is known.
  • the sensor includes a membrane acting as the sensor element is used.
  • the optical part of the sensor is based on a Fabry-Perot cavity and the electronic part of the sensor is based on the piezoresistive effect.
  • the optical cavity is formed by a central rigid body and a fiber.
  • DE 3 844 294 C2 discloses a device for non-contact detection of rotational movements of ferromagnetic objects.
  • a glass fiber end surface extends substantially parallel to the faces of a leaf-shaped silicon tongue. High optical quality of the glass fiber endface is achieved either by scoring and subsequently breaking the glass fiber or by polishing the glass fiber endface.
  • the silicon tongue is covered with a nickel layer on its side facing the glass fiber end surface.
  • the magnetic field of a permanent magnet is periodically modulated. This leads to forced vibrations of the silicon tongue.
  • the resulting modulation of the radiation guided by the connecting optical waveguide is detected and evaluated.
  • phase sensors which can be operated to detect the electrical phase of a generator of a wind turbine with respect to an external AC power supply as well as the speed of the turbine generator prior to connection to the external AC power supply.
  • the phase sensor may be one or more of a voltage sensor, an optical sensor, a mechanical sensor, or a magnetic sensor.
  • an apparatus in one example, includes a light pipe.
  • the light guide has an end.
  • the device also includes a membrane with a membrane surface.
  • the device also includes an optical resonator.
  • the optical resonator is formed between the membrane surface and a substrate surface.
  • the device also comprises a deflection unit.
  • the deflecting unit is set up in order to deflect primary radiation emerging from the end of the optical waveguide in the direction of the optical resonator.
  • the device also includes a magnet. The magnet is arranged on the membrane.
  • a method in one example, includes irradiating a primary radiation into an optical resonator.
  • the irradiation of the primary radiation by means of a light guide and by means of a deflection.
  • the deflection unit redirects primary radiation emerging from the end of the light guide.
  • the resonator is formed between a membrane surface of a membrane and a substrate surface.
  • a magnet is arranged on the membrane.
  • a method according to claim 18 includes the method.
  • the method comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind turbine.
  • the wind turbine has at least one rotor blade.
  • the method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator as a function of the measurement.
  • a computer program includes program code that may be executed by at least one processor. Execution of the program code causes the at least one processor to carry out a method according to claim 18.
  • the method comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind power plant.
  • the wind turbine has at least one rotor blade.
  • the method comprises also controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator as a function of the measurement.
  • a computer program product includes program code that may be executed by at least one processor. Execution of the program code causes the at least one processor to carry out a method according to claim 18.
  • the method comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind power plant.
  • the wind turbine has at least one rotor blade.
  • the method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator as a function of the measurement.
  • FIG. 1 schematically illustrates an apparatus according to various embodiments including a light source, a magnetic field sensor, and a detector.
  • FIG. 2 schematically illustrates the magnetic field sensor according to various embodiments, wherein the magnetic field sensor comprises a diaphragm and a magnet disposed on the diaphragm.
  • FIG. 3 schematically illustrates a deflection of the diaphragm of the magnetic field sensor according to various embodiments.
  • FIG. 4 schematically illustrates the spectral width of the light source, an interference spectrum of an optical resonator of the magnetic field sensor delimited by a membrane surface of the membrane, and the filter curve of an edge filter of the detector according to various embodiments.
  • FIG. 5 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
  • FIG. 6 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
  • FIG. 7 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
  • FIG. 8 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
  • FIG. 9 schematically illustrates fluid communication between an optical resonator defined by a membrane surface of the membrane and an environment of the magnetic field sensor according to various embodiments.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of the magnetic field sensor according to various embodiments.
  • FIG. 1 1 is a schematic perspective view of the magnetic field sensor according to various embodiments.
  • FIG. 12 schematically illustrates a wind turbine having at least one rotor blade and a generator according to various embodiments.
  • FIG. 13 schematically illustrates the generator of the wind turbine, according to various embodiments with respect to soft magnetic field sensor is arranged.
  • FIG. 14 schematically illustrates the time course of the magnetic field at the location of the magnetic field sensor in an arrangement in the generator of the wind turbine according to various embodiments.
  • FIG. 15 is a flowchart of a method according to various embodiments.
  • FIG. 16 is a flowchart of a method according to various embodiments. DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
  • the optical resonator may be formed between two bounding surfaces having a reflectance. Then, primary radiation entering the resonator is multiply reflected between the surfaces before it emerges as secondary radiation from the optical resonator. Within the resonator, certain modes of radiation are resonantly assisted.
  • the optical resonator is a standing wave resonator in which the resonance frequencies are given by c / 2L, where c denotes the speed of light and L the distance between the surfaces bounding the resonator.
  • c denotes the speed of light
  • L the distance between the surfaces bounding the resonator.
  • the optical resonator is limited in various examples by a membrane surface a membrane.
  • the membrane may have a certain elasticity, so that the membrane surface can be deflected by the action of force and can change the dimension L of the optical resonator in such a way.
  • the membrane may have the elasticity due to a have comparatively low material thickness.
  • the material of the membrane may be elastic.
  • the thickness of the membrane is not greater than 100 ⁇ , optionally not greater than 50 ⁇ , further optional not greater than 10 ⁇ .
  • the membrane could be made of glass, plastic, silicon, etc., for example.
  • the interference spectrum of the resonator can have a dependence on the deflection of the membrane.
  • a force acting on the membrane can thereby be measured based on the interference spectrum of the resonator.
  • the secondary radiation may be indicative of the interference spectrum of the resonator. Therefore, the secondary radiation can be used to determine the force acting on the membrane or the deflection of the membrane.
  • the magnetic field sensor may be configured to provide a sensor signal indicative of the amplitude of a measurement magnetic field. Alternatively or additionally, the magnetic field sensor can be set up to provide a sensor signal which is indicative of the orientation of the measuring magnetic field.
  • the magnetic field sensor provides an optical sensor signal which is indicative of the amplitude of the measurement magnetic field and / or the orientation of the measurement magnetic field.
  • the magnetic field sensor may be implemented by the optical resonator as described above.
  • a magnet can be arranged on the membrane.
  • the magnet may be e.g. be designed as Dünnschsch magnet or bulk magnet. Ferro, dia, or paramagnetic materials can be used.
  • the interaction between the magnetization of the magnet and the measuring magnetic field causes a force on the magnet; this force can be transmitted to the membrane, thereby changing the interference spectrum of the optical resonator. Therefore, the secondary radiation reflected by the optical resonator may be indicative of the measuring magnetic field.
  • the optoelectronic transducer or the detector can be arranged at a distance from the magnetic field sensor.
  • the detector can be arranged in a region in which the measuring magnetic field no longer has a significant amplitude, eg an amplitude ⁇ 100 mT, optionally ⁇ 10 mT, further optionally ⁇ 1 mT.
  • the detector can be arranged in an area in which also further magnetic fields prevailing at the location of the magnetic field sensor no longer have any significant amplitude, eg an amplitude ⁇ 100 mT, optionally ⁇ 10 mT, further optionally ⁇ 1 mT.
  • the secondary radiation can be transmitted as the sensor signal from the magnetic field sensor to the detector by means of a light guide. Accordingly, it would be possible for a light source to generate the primary radiation to be arranged at a distance from the magnetic field sensor.
  • the primary radiation can be transmitted from the light source to the magnetic field sensor by means of the light guide or by means of a further light guide.
  • the magnetic field sensor can be implemented without electrical and / or electronic components.
  • interference effects such as eddy currents, which could affect the sensor signal of the magnetic field sensor avoided.
  • the magnetic field sensor can be optically implemented.
  • a device in some examples, includes a diverter unit.
  • the deflecting unit is set up in order to deflect primary radiation emerging from the end of the optical waveguide in the direction of the optical resonator.
  • the deflection unit may alternatively or additionally be set up in order to divert secondary radiation reflected by the optical resonator.
  • the deflection unit may e.g. Implement a deflection angle of> 45 °.
  • the deflection unit By the deflection unit, a particularly flexible positioning of the light guide with respect to the membrane and / or a substrate, on which the membrane is arranged, can be achieved.
  • the light guide it may be possible for the light guide to be arranged, for example, parallel to a rear side of the substrate.
  • a particularly stable coupling between the light guide and the substrate can take place.
  • the robustness of the magnetic field sensor can be increased.
  • the redirector could be implemented in a variety of ways. Examples include: a mirror, a gradient index lens, a prism, a ball lens, a lens, a condenser lens, a diffuser, etc.
  • the diverter unit may in particular comprise combinations of the aforementioned elements.
  • the optical fiber may include one or more of the following: a glass fiber, an optical fiber, and / or a polymer conductor. Materials such as optical polymers, polymethylmethacrylate, polycarbonate, quartz glass, and / or ethylene-tetrafluoroethylene may be used. Such materials may optionally be doped.
  • the optical fiber may be formed as a singlemode fiber, for example an SMF-28 fiber.
  • SMF fiber refers to a specific type of standard singlemode fiber.
  • FIG. 1 illustrates aspects relating to a device 100 according to various examples.
  • the device 100 includes a magnetic field sensor 101.
  • the magnetic field sensor 101 is driven via a light guide 131.
  • primary radiation 138 can be conducted to the magnetic field sensor 101 via the light guide 131 and secondary radiation 139 can be received by the magnetic field sensor 101 as a sensor signal.
  • the primary radiation 138 is generated by a light source 105. Via a multiplexer 103, the primary radiation 138 is fed into the light guide 131.
  • the secondary radiation 139 is detected by a detector 106 after it has passed through the multiplexer 103.
  • the detector 106 is an opto-electronic converter. This means that the detector 106 is set up to output an electrical measurement signal 180.
  • the measurement signal 180 is indicative of the size of a measurement magnetic field 181 at the location of the magnetic field sensor 101. In the example of FIG. 1, the measurement signal 180 is a digital signal. In other examples, it would be possible for the measurement signal 180 to be an analog signal.
  • the measuring signal 180 is transmitted to a controller 107.
  • certain elements which influence the measuring magnetic field 181 can be controlled by the control.
  • such a loop could be implemented.
  • the measuring signal 180 could also be transferred to other units.
  • the measurement signal 180 could be transferred to a memory and stored in the memory, for example together with a time stamp (not shown in FIG. 1). It would also be possible for the measurement signal 180 to be output to a user via a user interface (not shown in FIG. 1).
  • a single magnetic field sensor 101 is connected to the light source 105 and the detector 106 via a single optical fiber 131.
  • a plurality of magnetic field sensors it would also be possible for a plurality of magnetic field sensors to be connected to the light source 105 and the detector 106 via the multiplexer 103.
  • techniques of frequency multiplexing and / or time multiplexing could then be used.
  • the measuring magnetic field could be measured particularly accurately and / or a plurality of measuring magnetic fields could be determined at different locations.
  • optical sensors - e.g. Strain sensors, torque sensors, acceleration sensors, etc. - are controlled.
  • Various examples are based on the finding that a particularly accurate measurement of the measuring magnetic field 181 can be possible by the magnetic field sensor 101 by a separate arrangement of electronic components, such as the light source 105 and the detector 106. In particular, an influence of the measuring magnetic field 181 on the electronic components can be reduced. In particular, for cases in which the measuring magnetic field 181 and / or another magnetic field have a time dependency at the location of the magnetic field sensor 101, it may be desirable to implement such a structural separation between the magnetic field sensor 101 and the electronic components, e.g. Eddy current disturbing effects to avoid.
  • the optical fiber 131 between the multiplexer 103 and the magnetic field sensor 101 may have a length not smaller than 1 m, optionally not smaller than 10 m, further optionally not smaller than 20 m. It can thus be achieved that the amplitude of the measuring magnetic field 181 and / or of a further magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 in the region of the light source 105 and of the detector 106 is particularly low or not is significant. A non-significant amplitude may mean that no significant interference effects occur.
  • optical fiber 131 for driving the magnetic field sensor 101
  • a plurality of optical fibers could also be used.
  • FIG. 2 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • the magnetic field sensor 101 comprises a membrane 1 11 having a membrane surface 1 12.
  • the membrane 11 is applied to the front side 143 of a substrate 140.
  • an optical resonator 120 is formed between the membrane surface 1 12 and a surface 141 of the substrate 140.
  • a deflecting unit 135 is provided, which is set up in order to deflect the primary radiation 138 emerging from the end 134 of the optical waveguide 131 in the direction of the resonator 120.
  • the optical waveguide 131 comprises a shell 132A, a cladding 132 and a core 133.
  • the cladding 132A and cladding 132 terminate at the deflecting unit 135 to allow a small distance between the core 133 and the bottom 142 of the substrate 140.
  • the inset of FIG. 2 illustrates aspects relating to the diverter 135.
  • the inset of FIG. FIG. 2 illustrates aspects with respect to an angle 135A about which the diverter 135 redirects the primary radiation 138.
  • the angle 135A is about 90 °.
  • smaller angles 135A could also be implemented.
  • the angle 135A could not be less than 45 °, optionally not less than 80 °, further optionally not less than 88 °.
  • the deflecting unit 135 is furthermore set up in order to deflect secondary radiation 139 reflected by the resonator 120 in the direction of the light guide 131 (not shown in FIG. 2 for reasons of clarity).
  • the optical fiber 131 is attached along its central axis 131A to the rear side 142 of the substrate 140.
  • the light guide 131 could, for example, by means of a solder connection, by means of adhesive and / or mechanical fixing means such as clips, etc. on the back 142 of the substrate 140 be attached. Such attachment is particularly stable.
  • the magnetic field sensor 101 can be integrated in a particularly space-saving manner.
  • the optical resonator 120 is implemented by a cavity formed in the front side 143 of the substrate 140.
  • the bottom 141 of the cavity thereby forms the lower surface of the resonator 120.
  • the bottom 141 is spaced from the front side 143 of the substrate 140.
  • the cavity could be formed by etching, such as liquid etching or ion beam etching.
  • FIG. 3 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 3 Aspects Concerning the Membrane 1 1 1.
  • the membrane 11 1 is shown in two exemplary deflection states.
  • a first deflection state (solid line in FIG.3) corresponds to a rest position of the diaphragm.
  • the membrane 1 11 is in particular not curved and not deflected in the direction of the bottom 141 of the resonator 120.
  • the length L 320 of the resonator 120 is comparatively large.
  • a second deflection state (dashed line in FIG. 3) corresponds to a deflection 31 1 of the diaphragm 11 1.
  • the diaphragm 11 1 is curved and deflected in the direction of the bottom 141 of the resonator 120. As a result, the length L 320 of the resonator is shortened by the deflection 31 1 with respect to the first deflection state.
  • the magnetic field sensor 101 When the magnetic field sensor 101 is placed in a measuring magnetic field 181, a force acts on the magnet 150 (not shown in FIG. 3 for the sake of clarity). This force causes the membrane 1 1 1 experiences a deflection 31 1. As a result, the length 320 of the optical resonator 120 changes. As a result, the interference spectrum of the resonator 120 shifts. This can be detected by the detector 106 based on the secondary radiation 139. In order to is the measurement signal 180 indicative of the deflection 31 1 of the membrane. By knowing the magnetic parameters of the magnet 150, as well as the equation of motion for the diaphragm 311, it is possible to deduce the amplitude and / or orientation of the measuring magnetic field 181. In that regard, the measurement signal 180 is also indicative of the measurement magnetic field 181.
  • the width 338 of this region is significantly smaller than the width 340 of the resonator 120.
  • the width 338 could not be greater than 20% of the width 340, optionally not greater than 10%, more optionally not greater than 5%.
  • the width 338 can be adjusted by the deflection unit 135.
  • the width 338 can also be influenced by the guidance of the core 133 of the light guide 131 to the deflection unit 135.
  • the width 338 By dimensioning the width 338 in comparison to the width 340 comparatively small, it can be achieved that the curvature of the membrane 11 1 in the region of the optically sensitive zone (in FIG. 3 in the middle of the optical resonator 120, above the hatched area) is low is.
  • the curvature of the membrane 11 may be comparatively small even for significant deflections 311 in the optically sensitive zone.
  • the length L 320 of the resonator 120 it may be possible for the length L 320 of the resonator 120 to be sharply defined in the optically sensitive zone. As a result, again a particularly accurate measurement can be carried out.
  • FIG. 4 illustrates aspects relating to the primary radiation 138.
  • the intensity 305 of the primary radiation 138 is plotted as a function of frequency (dashed line in FIG. 4, top). From FIG. 4, it can be seen that the primary radiation 138 has a maximum 307 of intensity 305 and a certain spectral width 306 - e.g. defined as half width.
  • the spectral width 306 could correspond to a wavelength range with an extension of 30 nm to 150 nm.
  • the primary radiation 138 is also referred to as broadband.
  • the primary radiation 138 may have a large spectral width 306 compared to laser radiation.
  • the maximum of the intensity 307 could for example correspond to a wavelength of between 500 nm to 1500 nm.
  • FIG. 4 further illustrates aspects relating to the optical resonator 120.
  • FIG. 4 shows aspects relating to the interference spectrum 320 of the resonator 120 (solid line in FIG. 4 above).
  • the spectral width 306 of the In general, the primary radiation 138 could have a spectral width 306 comprising at least two maximum values of the interference spectrum of the resonator 120, optionally at least four maximum values, further optionally at least six maximum values. In this way, a particularly simple light source 105 can be used. In particular, it may be unnecessary to use a laser light source.
  • the secondary radiation 139 then forms the interference spectrum 320.
  • optical resonator 120 can be easily manufactured.
  • FIG. 4 further illustrates aspects related to detector 106.
  • detector 106 included an edge filter.
  • the filter curve 366 of the edge filter is shown.
  • the edge filter is in the example of FIG. 4 implemented as a bandpass filter. In other examples, the edge filter could also be implemented as a high pass filter or as a low pass filter.
  • the edge filter is typically an optical filter.
  • edge of the filter curve 366 of the edge filter is formed in the region of a maximum of the interference spectrum 305 of the resonator 120 (vertical dashed line in FIG. with respect to the rest position of the membrane 1 1 1.
  • the displacement of the interference spectrum 320 for an exemplary deflection 31 1 of the diaphragm 11 1 is further illustrated. From FIG. 4, such an exemplary displacement 311 moves a maximum of the interference spectrum 320 within the edge width of the filter curve 366. In particular, multiple maxima of the interference spectrum 320 are not moved through the edge of the filter curve 366. In other words, the diaphragm 1 1 1 and the magnet 150 may be arranged to cause a frequency shift of the interference spectrum 320 within a specified measuring range of measuring magnetic fields 181 which is not greater than the edge width of the filter curve 366 of the edge filter.
  • the measuring range by the dimensioning of the membrane 1 1 1, about thickness and / or elasticity of the resonator 120, for example width 340, can be adjusted.
  • the measurement range may then be determined with respect to the edge width of the filter curve 366.
  • the measuring range may designate the amplitude and / or orientation of the measuring magnetic field 180, for the measurement of which the device 100 is designed.
  • the signal response of the edge filter is, to a good approximation, linear as a function of the frequency shift of the interference spectrum 320: this may be the case because the edge filter can have a linear line in the region of the edge.
  • ambiguities that would otherwise occur if more than one maximum of the interference spectrum 320 were taken into account can be further avoided.
  • FIG. 5 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 5 Aspects Related to the Magnet 150.
  • the magnet 150 is formed as a thin film.
  • the layer thickness of the thin layer may in particular be smaller than a thickness of the membrane 1 1 1.
  • the layer thickness could be ⁇ 500 ⁇ , optionally ⁇ 20 ⁇ , further optional ⁇ 1 ⁇ .
  • the thin film could be made by thermally evaporating the magnetic material in vacuo.
  • the thin film could be made by sputtering.
  • a well-defined orientation of the magnetization of the magnet 150 could be achieved.
  • an out-of-plane orientation of the magnetization 551 is shown, ie perpendicular to the membrane surface 1 12. It would also in-plane orientations of the magnetization 552 possible, ie parallel to the membrane surface 1 12.
  • the orientation of the magnetization 551, 552 could be predetermined.
  • the orientation of the magnetization 551, 552 could also be predetermined by suitable lateral or vertical structuring of the magnet 150.
  • the orientation of the magnetization 551, 552 could also be predetermined by a polarization magnetic field which is applied at the location of the magnet 150 by a corresponding magnetic field source.
  • a polarization magnetic field which is applied at the location of the magnet 150 by a corresponding magnetic field source.
  • FIG. 5 illustrates a scenario in which the magnet 150 is implemented by a thin film
  • the magnet 150 it would also be possible for the magnet 150 to be implemented by a bulk material.
  • the thickness of the magnet 150 could be significantly greater than the thickness of the membrane 1 1 1. In such an example, it may be possible to measure even relatively small magnetic fields particularly sensitive.
  • the material of the magnet 150 may be, for example, ferromagnetic, paramagnetic or you magnetic.
  • a ferromagnetic alloy could be used, for example nickel-iron alloys.
  • Magnetic oxides could also be used.
  • the extension 250 of the magnet 150 on the diaphragm 11 is greater than the width 338 of the region in which the primary radiation 138 and the secondary radiation 139 enter and exit the resonator 120.
  • the extent 250 is smaller than the width 340 of the resonator 120.
  • FIG. 6 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 6 Aspects Related to the Magnet 150.
  • the example of FIG. 6 basically corresponds to the example of FIG. 5.
  • the extension 250 of the magnet 150 on the diaphragm 11 1 is greater than the width 338 of the region in which the primary radiation 138 and the secondary radiation 139 enter and exit the resonator 120.
  • the extent 250 is also greater than the width 340 of the resonator 120.
  • FIG. 7 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 7 Aspects Related to the Magnet 150.
  • the example of FIG. 7 basically corresponds to the example of FIG. 5.
  • the extent 250 of the magnet 150 on the membrane 11 is approximately equal to the width 338 of the region in which the primary radiation 138 and the secondary radiation 139 enter and exit the resonator 120.
  • the extent 250 is smaller than the width 340 of the resonator 120.
  • FIG. 8 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 8 Aspects Related to the Magnet 150.
  • the example of FIG. 9 basically corresponds to the example of FIG. 7.
  • a bulk magnet 150 is used, which has an extension 750 perpendicular to the membrane 1 1 1, which is greater than the thickness 720 of the membrane 1 1 1.
  • FIG. 9 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 9 illustrates aspects relating to a fluid connection 800 between the resonator 120 and the surroundings of the magnetic field sensor 101.
  • the fluid connection 800 is formed by a channel in the membrane 11.
  • fluid interconnect 800 could also be formed through a channel in substrate 140 (not shown in FIG. 9).
  • FIG. 10 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 10 is a perspective view of the magnetic field sensor 101 obliquely from below.
  • FIG. 10 illustrates how the light guide 131 may be embedded in a corresponding recess of the rear side 142 of the substrate 140. Thereby, a particularly stable connection between the light guide 131 and the magnetic field sensor 101 can be achieved.
  • FIG. 1 illustrates aspects relating to the magnetic field sensor 101.
  • FIG. 1 1 is a perspective view of the magnetic field sensor 101 obliquely from above.
  • FIG. 12 illustrates aspects relating to a wind turbine 1200.
  • the wind turbine 1200 includes a tower 1232 and a nacelle 1231.
  • the nacelle 1231 is rotatably connected to a plant rotor 1220, which in particular has a hub.
  • a plant rotor 1220 which in particular has a hub.
  • On the system rotor 1220 in the example of FIG. 12 two rotor blades 121 1, 1212 attached; in other examples more or less rotor blades could be present.
  • the pitch angle or pitch angle 1215 of the various rotor blades 121 1, 1212 can be adjusted.
  • the changing of the pitch angle 1215 of a rotor blade 121 1, 1212 corresponds to a rotation of the corresponding rotor blade 121 1, 1212 about its longitudinal axis.
  • Changing the pitch angle 1215 causes the flow behavior of wind on the respective rotor blade 121 1, 1212 to change and thus the torque generated by the respective rotor blade 121 1, 1212 to change.
  • An aerodynamic brake can be implemented in this way.
  • the buoyancy can be reduced and a stall can be brought about or avoided.
  • the power flow to a generator 1251 of the wind turbine 1200 may be changed.
  • pitch angles 1215 of the various rotor blades 121 1, 1212 may be individually adjusted.
  • an aerodynamic imbalance can be compensated.
  • the one aerodynamic imbalance can cause damage to the generator 1251, in particular in the case of a gearless wind power plant (direct drive), in which the generator 1251 is directly connected to the system rotor 1220 without a transmission in the drive train 1252 Gaps of generator 1251.
  • wind turbine 1200 may also include a transmission in driveline 1252 (not shown in FIG. 12).
  • FIG. 13 illustrates aspects relating to the generator 1251.
  • FIG. 13 is a sectional view through the generator 1251; the axis of rotation is perpendicular to the plane of the FIG. 13 oriented.
  • the generator 1251 in the example of FIG. 13 has an inner pole arrangement, ie the rotor 1301 includes permanent magnets 1399 as DC magnetic field source and the stator 1302 includes generator coils 131 1, which are adapted to provide a generator current, for example for supply to the power grid. In other examples, an outer pole arrangement could also be used.
  • the generator 1251 is externally excited, ie via an exciting current flow of the coils 1312, the generator magnetic field 1340 generated by the permanent magnets 1399 can be manipulated. As a result, the source voltage associated with the generator current can also be manipulated.
  • the gap 1305 denotes the distance between the rotor 1301 and the stator 1302. Without imbalance (shown at the top of FIG. 13), the gap 1305 is typically the same at different points. However, if there is an imbalance (shown in FIG. 13 below), the gap 1305 will be different at different points. This results in particular in a one-sided reduction in the gap dimension (in FIG. 13, bottom left). If the gap size is reduced too much, the generator 1251 may be damaged.
  • a measurement magnetic field 181 which is generated by a magnetic field source 1350, can be used.
  • An AC measurement magnetic field 181 or a DC measurement magnetic field 181 may be generated.
  • the magnetic field sensor 101 is rigidly coupled to the rotor 1301.
  • the magnetic field source 1350 is rigidly coupled to the stator 1302 and is arranged in particular in the region of the generator magnetic field 1340.
  • a change in the gap 1305 causes a change of the measuring magnetic field 181 at the location of the magnetic field sensor 101.
  • the magnetic field sensor 101 is rigidly connected to the rotor 1301
  • the light source 105 and / or the detector 106 are also rigidly connected to the rotor 1301.
  • the light source 105 and / or the detector 106 could be located in the hub of the plant rotor 1220. This may make it possible to perform other optical fiber measuring techniques - for example, with respect to the deformation of the rotor blades 121 1 - by means of the same light source 105 and the same detector 106.
  • FIG. 13 an example in which a single magnetic field sensor 101 is provided is shown.
  • a plurality of magnetic field sensors 101 it would also be possible for a plurality of magnetic field sensors 101 to be provided at different locations of the rotor 1301.
  • the plurality of magnetic field sensors 101 are connected via the multiplexer 103 to the same light source 105 and / or the same detector 106 (see FIG. 1).
  • the imbalance of the rotor 1301 relative to the stator 1302 can be measured particularly accurately.
  • FIG. 13 an example is shown in which a single magnetic field source 1350 is provided for generating the measuring magnetic field 181.
  • multiple magnetic field sources to be provided at 1350 to generate multiple measurement magnetic fields.
  • the plurality of magnetic field sources could have different frequencies.
  • the detector 106 it would also be possible for the detector 106 to receive a control signal that is indicative of the angle of rotation of the rotor 1301: from this it would be possible to deduce which magnetic field sensor measures which DC measuring magnetic field.
  • the gap 1305 may be monitored by the one or more magenta field sensors 101. In particular, appropriate countermeasures can be taken if a significant drop in gap 1305 is observed. As a result, it may be possible for the gap 1305 to be dimensioned particularly small. For example, the gap 1305 could be no greater than 5mm, for example, in a no unbalance condition, optionally not greater than 3mm, more optionally not greater than 2mm. By such a small dimensioning of the gap 1305, a particularly large generator current can be generated.
  • FIG. 14 illustrates the amplitude of the magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 as a function of time for the arrangement of FIG. 13.
  • the magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 is composed of the generator magnetic field 1340 and the measuring magnetic field 181.
  • FIG. 14 illustrates an example in which the measuring magnetic field 181 is a DC measuring magnetic field 181. This means that a time dependence of the amplitude of the measuring magnetic field 181 is caused due to the rotation of the rotor 1301 - and not (additionally) by a time-variable component of the measuring magnetic field 181 in the reference frame of the stator 1302. However, corresponding techniques could also be used with AC Implement measuring magnetic fields 181.
  • the measurement magnetic field 1351 has a periodic time dependency.
  • the amplitude of the measuring magnetic field 1351 changes as a function of the gap 1305.
  • the amplitude of the generator magnetic field 1340 forms a baseline (shown in dashed line in FIG. 14).
  • the filter may receive a control signal indicative of the frequency of the measurement magnetic field 1351 at the location of the magnetic field sensor 101.
  • the signal may indicate the rotational frequency of the rotor 1301. It would then be possible, for example, for the filter to filter the measuring signal 180 as a function of this control signal.
  • lock-in techniques can be implemented, and high accuracy can be achieved with respect to determining the measurement magnetic field 1350.
  • the detector 106 it would be possible for the detector 106 to be configured to output the measurement signal 180, which is indicative of the gap 1305. Alternatively, it would also be possible for the controller 107 to be configured to determine the gap 1305 based on the measurement signal 180.
  • the controller 107 may be configured to monitor the gap 1305 in response to the measurement signal 180. For example, if it is determined that the gap 1305 is below a certain threshold, countermeasures may be initiated. Alternatively or additionally, it would also be possible for the controller 107 to implement a control loop which converts a specific setpoint value for the gap 1305.
  • the controller 107 could be configured to set at least one operating parameter of the at least one rotor blade 121 1, 1212 of the wind turbine 1200 depending on the measurement signal 180.
  • the operating parameter could be, for example, the pitch angle 1251.
  • the controller 107 may be configured to set at least one operating parameter of the generator 1251 as a function of the measurement signal 180. For example, depending on the measurement signal 180, the excitation current through the coils 1312 could be adjusted. Thus, the aerodynamic imbalance resulting in a change in gap 1305 could be compensated.
  • FIG. 15 is a flowchart of an example method.
  • first of all primary radiation is radiated into an optical resonator.
  • an optical resonator for example, a light guide is used.
  • a deflecting unit which is set up in order to deflect primary radiation emerging from one end of the optical waveguide in the direction of the resonator, for example by an angle of approximately 90 °.
  • the optical resonator may be bounded on one side by a membrane surface of a movable or elastic membrane.
  • a magnet can be arranged on the membrane. Then, a force can be exerted on the membrane, wherein the strength of the force depends on a measuring magnetic field at the location of the magnet. A deflection of the membrane results, which in turn changes the interference spectrum of the resonator.
  • secondary radiation emerging from the resonator is then detected.
  • a photodiode, etc. can be used.
  • the secondary radiation may be detected at a particular wavelength using, for example, an edge filter.
  • the secondary radiation may in particular be indicative of the interference spectrum of the resonator.
  • a measurement signal is output.
  • the measuring signal can be indicative of the amplitude and / or the orientation of a magnetic field at the location of the resonator, for example.
  • the measurement signal may be indicative of the deflection of the membrane.
  • FIG. 16 is a flowchart of a method according to various examples.
  • a measuring magnetic field in a generator for example a generator of a wind turbine
  • the method according to FIG. 15 are used.
  • control of an operating parameter, such as the generator or a driveline, coupled to the generator occurs.
  • an excitation current used to magnetize a DC magnetic field source of the generator could be varied.
  • an imbalance of the rotor of the generator relative to the stator of the generator can be reduced.
  • a magnetic field sensor having an optical resonator is fixedly connected to a rotor of a generator.
  • the measuring magnetic field detected and evaluated by the magnetic field sensor it would be possible for the measuring magnetic field detected and evaluated by the magnetic field sensor to be the generator magnetic field which is also inductive Power generation is used.
  • the detector comprises, for example, a spectrometer.
  • the spectrometer it may be possible to detect the intensity of the secondary radiation in a wavelength-resolved manner.

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Abstract

In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen Lichtleiter (131) mit einem Ende (134), eine Membran (111) mit einer Membranfläche (112), sowie einen zwischen der Membranfläche (112) und einer Substratfläche (141) ausgebildeten optischen Resonator (120). Die Vorrichtung umfasst auch eine Umlenkeinheit (135), die eingerichtet ist, um aus dem Ende (134) austretende Primärstrahlung (138) in Richtung des Resonators (120) umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch einen Magneten (150), der auf der Membran (111) angeordnet ist.

Description

OPTISCHER MAGNETFELDSENSOR
TECHNISCHES GEBIET Verschiedene Beispiele betreffen eine Vorrichtung, die einen Lichtleiter, eine Membran mit einer Membranfläche und einen zwischen der Membranfläche und einer Substratfläche ausgebildeten optischen Resonator umfasst. Die Vorrichtung umfasst auch einen Magneten, der auf der Membran angeordnet ist. Weitere Beispiele betreffen ein Verfahren, welches das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators.
HINTERGRUND
Es sind verschiedene Magnetfeldsensoren bekannt. Zum Beispiel sind Magnetfeldsensoren bekannt, welche basierend auf dem Hall-Effekt oder einem xMR-Effekt, wie beispielsweise TMR, AMR oder GMR basieren. Bei solchen Magnetfeldsensoren wird der Magnetfeldsensor elektrisch ausgelesen.
Jedoch weisen solche Magnetfeldsensoren bestimmte Nachteile und Einschränkungen auf. Zum Beispiel kann es aufgrund des elektrischen Auslesens der Sensoreinheit möglich sein, dass Magnetfelder am Ort der Sensoreinheit in den elektrischen Zuleitungen und/oder in der elektrischen Schaltung der Sensoreinheit ungewünschte Störeffekte hervorrufen. Beispielsweise können Wirbelströme auftreten. Solche Störeffekte können beispielsweise die Messgenauigkeit der Magnetfeldsensoren beeinträchtigen.
Beispielsweise ist aus CN101852840 A ein Fabry-Perot basierter Magnetfeldsensor bekannt. Ein solcher Magnetfeldsensor weist den Nachteil auf, dass die Befestigung des Lichtleiters im Bereich des Resonators wenig robust ist. Dadurch kann es zu Störeinflüssen aufgrund der Bewegung des Lichtleiters kommen.
Aus US 201 1/019871 1 A1 ist ein Sensor, der auf einem optischen mikroelektromechanischen System basiert, bekannt. Der Sensor umfasst eine Membran, die als das Sensorelement verwendet wird. Der optische Teil des Sensors basiert auf einer Fabry-Perot-Kavität und der elektronische Teil des Sensors basiert auf dem piezoresistiven Effekt. Die optische Kavität wird durch einen zentralen steifen Körper und eine Faser ausgebildet. Aus DE 3 844 294 C2 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Drehbewegungen ferromagnetischer Objekte bekannt. Eine Glasfaserendfläche erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu den Flächen einer blattförmigen Siliziumzunge. Eine hohe optische Qualität der Glasfaserendfläche wird entweder durch Anritzen und nachfolgendes Brechen der Glasfaser oder durch Polieren der Glasfaserendfläche erreicht. Die Siliziumzunge ist an ihrer der Glasfaserendfläche zugewandten Seite mit einer Nickelschicht belegt. Bei Drehung des ferromagnetischen Zahnrades wird das Magnetfeld eines Permanentmagneten periodisch moduliert. Dies führt zu erzwungenen Schwingungen der Siliziumzunge. Die sich daraus ergebende Modulation der durch den Verbindungslichtwellenleiter geführten Strahlung wird erfasst und ausgewertet.
Aus US 2012/0038157 A1 sind Phasensensoren bekannt, die betrieben werden können, um die elektrische Phase eines Generators einer Windkraftanlage in Bezug auf eine externe Wechselstromversorgung sowie die Geschwindigkeit des Turbinengenerators vor Verbindung mit der externen Wechselstromversorgung zu detektieren. Der Phasensensor kann eines oder mehrere eines Spannungssensors, eines optischen Sensors, eines mechanischen Sensors oder eines magnetischen Sensors sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zum Bestimmen eines Magnetfelds. Insbesondere besteht ein Bedarf für Techniken, welche die oben genannten Nachteile beheben oder lindern.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen. In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen Lichtleiter. Der Lichtleiter weist ein Ende auf. Die Vorrichtung umfasst auch eine Membran mit einer Membranfläche. Die Vorrichtung umfasst auch einen optischen Resonator. Der optische Resonator ist zwischen der Membranfläche und einer Substratfläche ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst auch eine Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um aus dem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung in Richtung des optischen Resonators umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch einen Magneten. Der Magnet ist auf der Membran angeordnet.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Einstrahlen einer Primärstrahlung in einen optischen Resonator. Das Einstrahlen der Primärstrahlung erfolgt mittels eines Lichtleiters und mittels einer Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit lenkt aus dem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung um. Der Resonator ist zwischen einer Membranfläche einer Membran und einer Substratfläche ausgebildet. Ein Magnet ist auf der Membran angeordnet.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18. Das Verfahren umfasst insbesondere das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist mindestens ein Rotorblatt auf. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators in Abhängigkeit des Messens. In einem Beispiel umfasst ein Computerprogramm Programm-Code, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Ausführen des Programm-Codes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18 ausführt. Das Verfahren umfasst insbesondere das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist mindestens ein Rotorblatt auf. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators in Abhängigkeit des Messens.
In einem Beispiel umfasst ein Computerprogrammprodukt Programm-Code, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Ausführen des Programm-Codes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18 ausführt. Das Verfahren umfasst insbesondere das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist mindestens ein Rotorblatt auf. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators in Abhängigkeit des Messens.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN FIG. 1 illustriert schematisch eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen, die eine Lichtquelle, einen Magnetfeldsensor und einen Detektor umfasst.
FIG. 2 illustriert schematisch den Magnetfeldsensor gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei der Magnetfeldsensor eine Membran und einen auf der Membran angeordneten Magneten umfasst.
FIG. 3 illustriert schematisch eine Auslenkung der Membran des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. FIG. 4 illustriert schematisch die Spektralbreite der Lichtquelle, ein Interferenzspektrum eines durch eine Membranfläche der Membran begrenzten optischen Resonators des Magnetfeldsensors, sowie die Filterkurve eines Kantenfilters des Detektors gemäß verschiedener Ausführungsformen. FIG. 5 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 6 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 7 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen. FIG. 8 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 9 illustriert schematisch eine Fluidverbindung zwischen einem durch eine Membranfläche der Membran begrenzten optischen Resonator und einer Umgebung des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 10 ist eine schematische Perspektivansicht des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. FIG. 1 1 ist eine schematische Perspektivansicht des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 12 illustriert schematisch eine Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt und einem Generator gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 13 illustriert schematisch den Generator der Windkraftanlage, gemäß verschiedener Ausführungsformen in Bezug auf weichen der Magnetfeldsensor angeordnet ist.
FIG. 14 illustriert schematisch den Zeitverlauf des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors in einer Anordnung im Generator der Windkraftanlage gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 15 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen.
FIG. 16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Nachfolgend werden Techniken in Bezug auf einen optischen Resonator beschrieben. Der optische Resonator kann zwischen zwei begrenzenden Flächen ausgebildet sein, die einen Reflektionsgrad aufweisen. Dann wird in den Resonator eintretende Primärstrahlung zwischen den Flächen mehrfach reflektiert, bevor sie als Sekundärstrahlung aus dem optischen Resonator austritt. Innerhalb des Resonators werden bestimmte Moden der Strahlung resonant unterstützt. In verschiedenen Beispielen ist der optische Resonator ein Stehwellenresonator, bei dem die Resonanzfrequenzen gegeben sind durch c/2L, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet und L den Abstand zwischen den den Resonator begrenzenden Flächen. Zum Beispiel kann mittels des Fabry-Perot-Prinzips ein Interferenzspektrum des Resonators ausgewertet werden und dadurch auf die Abmessung des optischen Resonators zurückgeschlossen werden.
Der optische Resonator ist in verschiedenen Beispielen durch eine Membranfläche eine Membran begrenzt. Die Membran kann eine gewisse Elastizität aufweisen, so dass die Membranfläche durch Krafteinwirkung ausgelenkt werden kann und die Abmessung L des optischen Resonators derart verändern kann. Zum Beispiel kann die Membran die Elastizität aufgrund einer vergleichsweise geringen Materialdicke aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Material der Membran elastisch sein. In verschiedenen Beispielen ist die Dicke der Membran nicht größer als 100 μηι, optional nicht größer als 50 μηι, weiter optional nicht größer als 10 μηι. Die Membran könnte z.B. aus Glas, Kunststoff, Silizium etc. gefertigt sein.
Dann kann das Interferenzspektrum des Resonators eine Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran aufweisen. Eine auf die Membran wirkende Kraft kann dadurch basierend auf dem Interferenzspektrum des Resonators gemessen werden. Insbesondere kann die Sekundärstrahlung indikativ für das Interferenzspektrum des Resonators sein. Deshalb kann die Sekundärstrahlung dazu verwendet werden, um die auf die Membran wirkende Kraft bzw. die Auslenkung der Membran zu bestimmen.
In verschiedenen Beispielen werden nachfolgend Techniken in Bezug auf das Bestimmen eines Magnetfelds beschrieben. Dies bedeutet, dass nachfolgend in verschiedenen Beispielen Techniken in Bezug auf einen Magnetfeldsensor beschrieben werden. Der Magnetfeldsensor kann eingerichtet sein, um ein Sensorsignal bereitzustellen, welches indikativ für die Amplitude eines Mess-Magnetfelds ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor eingerichtet sein, um ein Sensorsignal bereitzustellen, welches indikativ für die Orientierung des Mess- Magnetfelds ist.
In verschiedenen Beispielen stellt der Magnetfeldsensor ein optisches Sensorsignal bereit, welches indikativ für die Amplitude des Mess-Magnetfelds und/oder die Orientierung des Mess- Magnetfelds ist. Zum Beispiel kann der Magnetfeldsensor durch den optischen Resonator, wie obenstehend beschrieben, implementiert werden. Dabei kann ein Magnet auf der Membran angeordnet sein. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann der Magnet z.B. als Dünnschnicht-Magnet oder Bulk-Magnet ausgebildet sein. Es können ferro-, dia-, oder paramagnetische Materialien verwendet werden.
Die Wechselwirkung zwischen der Magnetisierung des Magneten mit dem Mess-Magnetfeld bewirkt eine Kraft auf den Magneten; diese Kraft kann auf die Membran übertragen werden und dadurch das Interferenzspektrum des optischen Resonators verändert werden. Deshalb kann die vom optischen Resonator reflektierte Sekundärstrahlung indikativ für das Mess-Magnetfeld sein. Der optoelektronische Wandler bzw. der Detektor kann beabstandet von dem Magnetfeldsensor angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Detektor in einem Bereich angeordnet sein, in dem das Mess-Magnetfeld keine signifikante Amplitude mehr aufweist, z.B. eine Amplitude < 100 mT, optional < 10 mT, weiter optional < 1 mT. Zum Beispiel kann der Detektor in einem Bereich angeordnet sein, in dem auch weitere Magnetfelder, die am Ort des Magnetfeldsensors vorherrschen, keine signifikante Amplitude mehr aufweisen, z.B. eine Amplitude < 100 mT, optional < 10 mT, weiter optional < 1 mT. Die Sekundärstrahlung kann als das Sensorsignal von dem Magnetfeldsensor zum Detektor mittels eines Lichtleiters übertragen werden. Entsprechend wäre es möglich, dass eine Lichtquelle zum Erzeugen der Primärstrahlung beabstandet vom Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die Primärstrahlung kann von der Lichtquelle zum Magnetfeldsensor mittels des Lichtleiters oder mittels eines weiteren Lichtleiters übertragen werden.
Durch solche Techniken kann erreicht werden, dass eine besonders genaue Bestimmung des Mess-Magnetfelds, z.B. auch in Anwesenheit starker zeitveränderlicher Magnetfelder, möglich ist. Insbesondere kann erreicht werden, dass der Magnetfeldsensor ohne elektrische und oder elektronische Bauteile implementiert werden kann. Dadurch können Störeffekte, wie beispielsweise Wirbelströme, welche das Sensorsignal des Magnetfeldsensors beeinträchtigen könnten, vermieden. Der Magnetfeldsensor kann optisch implementiert werden.
In manchen Beispielen umfasst eine Vorrichtung eine Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um aus dem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung in Richtung des optischen Resonators umzulenken. Die Umlenkeinheit kann alternativ oder zusätzlich eingerichtet sein, um vom optischen Resonator reflektierte Sekundärstrahlung umzulenken. Die Umlenkeinheit kann z.B. einen Umlenkwinkel von > 45° implementieren.
Durch die Umlenkeinheit kann eine besonders flexible Positionierung des Lichtleiters in Bezug auf die Membran und/ein Substrat, auf welchem die Membran angeordnet ist, erreicht werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass der Lichtleiter zum Beispiel parallel zu einer Rückseite des Substrats angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders stabile Kopplung zwischen dem Lichtleiter und dem Substrat erfolgen. Dadurch kann die Robustheit des Magnetfeldsensors erhöht werden. In den verschiedenen Beispielen, die hierin beschrieben werden, könnte die Umlenkeinheit auf verschiedene Arten und Weisen implementiert werden. Beispiele umfassen: einen Spiegel, eine Gradientenindex-Linse, ein Prisma, eine Kugellinse, eine Linse, eine Sammellinse, eine Streulinse, etc. Die Umlenkeinheit kann insbesondere Kombinationen der vorab genannten Elemente aufweisen.
In den verschiedenen Beispielen, die hierin beschrieben werden, können unterschiedliche Lichtleiter verwendet werden. Zum Beispiel können Einmoden-Lichtleiter (engl. Single mode) oder Mehrmoden-Lichtleiter (engl, multi mode) verwendet werden. Beispielsweise kann der Lichtleiter ein oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: eine Glasfaser, eine optische Faser, und/oder einen Polymerleiter. Es können Materialien wie optische Polymere, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Quarzglas, und/oder Ethylen-Tetrafluorethylen verwendet werden. Solche Materialen können gegebenenfalls dotiert sein. Insbesondere kann die optische Faser als Singlemode-Faser, zum Beispiel eine SMF-28 Faser ausgebildet sein. Hierbei bezeichnet der Ausdruck "SMF-Faser" einen speziellen Typ einer Standard Singlemode-Faser.
FIG. 1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Vorrichtung 100 gemäß verschiedener Beispiele. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Magnetfeldsensor 101. Der Magnetfeldsensor 101 wird über einen Lichtleiter 131 angesteuert. Über den Lichtleiter 131 kann insbesondere Primärstrahlung 138 zu dem Magnetfeldsensor 101 geleitet werden und es kann Sekundärstrahlung 139 als Sensorsignal von dem Magnetfeldsensor 101 empfangen werden.
Die Primärstrahlung 138 wird dabei durch eine Lichtquelle 105 erzeugt. Über einen Multiplexer 103 wird die Primärstrahlung 138 in den Lichtleiter 131 eingespeist. Die Sekundärstrahlung 139 wird von einem Detektor 106 detektiert, nachdem sie den Multiplexer 103 durchlaufen hat. Der Detektor 106 ist ein optoelektronische Wandler. Dies bedeutet, dass der Detektor 106 eingerichtet ist, um ein elektrisches Messsignal 180 auszugeben. Das Messsignal 180 ist indikativ für die Größe eines Mess-Magnetfelds 181 am Ort des Magnetfeldsensors 101. In dem Beispiel der FIG. 1 ist das Messsignal 180 ein digitales Signal. In anderen Beispielen wäre es möglich, dass das Messsignal 180 ein analoges Signal ist.
In dem Beispiel der FIG. 1 wird das Messsignal 180 an eine Steuerung 107 übergeben. Durch die Steuerung können z.B. bestimmte Elemente gesteuert werden, welche das Mess-Magnetfeld 181 beeinflussen. Z.B. könnte derart ein Regelkreis implementiert werden. In anderen Beispielen könnte das Messsignal 180 auch an andere Einheiten übergeben werden. Zum Beispiel könnte das Messsignal 180 an einen Speicher übergeben werden und in dem Speicher - beispielsweise zusammen mit einem Zeitstempel - abgespeichert werden (in FIG. 1 nicht dargestellt). Es wäre auch möglich, dass das Messsignal 180 über eine Benutzerschnittstelle an einen Benutzer ausgegeben wird (in FIG. 1 nicht dargestellt).
In dem Beispiel der FIG. 1 ist lediglich ein einzelner Magnetfeldsensor 101 über einen einzelnen Lichtleiter 131 mit der Lichtquelle 105 und dem Detektor 106 verbunden. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass mehrere Magnetfeldsensoren über den Multiplexer 103 mit der Lichtquelle 105 und dem Detektor 106 verbunden sind. Um zwischen den verschiedenen Magnetfeldsensoren zu unterscheiden könnten dann zum Beispiel Techniken des Frequenz- Multiplexen und/oder des Zeit-Multiplexen eingesetzt werden. Z.B. könnte durch eine Kombination mehrerer Magnetfeldsensoren das Mess-Magnetfeld besonders genau vermessen werden und/oder mehrere Mess-Magnetfelder an unterschiedlichen Orten bestimmt werden. Es wäre auch möglich, dass über den Multiplexer 103 weitere optische Sensoren - z.B. Dehnungssensoren, Drehmomentsensoren, Beschleunigungssensoren, etc. - angesteuert werden.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine getrennte Anordnung von elektronischen Bauteilen - wie beispielsweise die Lichtquelle 105 und den Detektor 106 - von dem Magnetfeldsensor 101 eine besonders genaue Messung des Mess-Magnetfelds 181 möglich sein kann. Insbesondere kann ein Einfluss des Mess-Magnetfelds 181 auf die elektronischen Bauteile reduziert werden. Insbesondere für Fälle in welchen das Mess-Magnetfeld 181 und/oder ein weiteres Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors 101 eine Zeitabhängigkeit aufweisen, kann es erstrebenswert sein, eine solche bauliche Trennung zwischen dem Magnetfeldsensor 101 und den elektronischen Bauteilen zu implementieren, um z.B. Wirbelstrom-Störeffekte zu vermeiden.
Zum Beispiel könnte der Lichtleiter 131 zwischen dem Multiplexer 103 und dem Magnetfeldsensor 101 eine Länge aufweisen, die nicht kleiner als 1 m ist, optional nicht kleiner als 10 m, weiter optional nicht kleiner als 20 m ist. Derart kann erreicht werden, dass die Amplitude des Mess- Magnetfelds 181 und/oder eines weiteren Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 101 im Bereich der Lichtquelle 105 und des Detektors 106 besonders gering ist bzw. nicht mehr signifikant ist. Eine nicht-signifikante Amplitude kann bedeuten, dass keine signifikanten Störeffekte auftreten.
Anstatt eines einzelnen Lichtleiters 131 zur Ansteuerung des Magnetfeldsensors 101 könnten auch mehrere Lichtleiter verwendet werden.
FIG. 2 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. In dem Beispiel der FIG. 2 umfasst der Magnetfeldsensor 101 eine Membran 1 11 mit einer Membranfläche 1 12. Die Membran 1 11 ist auf der Vorderseite 143 eines Substrats 140 aufgebracht. Zwischen der Membranfläche 1 12 und einer Fläche 141 des Substrats 140 ist ein optischer Resonator 120 ausgebildet. Es ist eine Umlenkeinheit 135 vorgesehen, die eingerichtet ist, um die aus dem Ende 134 des Lichtleiters 131 austretende Primärstrahlung 138 in Richtung des Resonators 120 umzulenken. Der Lichtleiter 131 umfasst dabei eine Hülle 132A, einen Mantel 132 und einen Kern 133. Die Hülle 132A und der Mantel 132 enden beanstandet von der Umlenkeinheit 135, um einen geringen Abstand zwischen dem Kern 133 und der Unterseite 142 des Substrats 140 zu ermöglichen.
Das Inset der FIG. 2 (mit der gepunktet-gestrichelten Linie gekennzeichnet) illustriert Aspekte in Bezug auf die Umlenkeinheit 135. Insbesondere illustriert das Inset der FIG. 2 Aspekte in Bezug auf einen Winkel 135A, um welchen die Umlenkeinheit 135 die Primärstrahlung 138 umlenkt. In dem Beispiel der FIG. 2 beträgt der Winkel 135A in etwa 90°. In anderen Beispielen könnten auch kleinere Winkel 135A implementiert werden. Beispielsweise könnte der Winkel 135A nicht kleiner als 45° sein, optional nicht kleiner als 80° sein, weiter optional nicht kleiner als 88°. Die Umlenkeinheit 135 ist weiterhin eingerichtet, um vom Resonator 120 reflektierten Sekundärstrahlung 139 in Richtung des Lichtleiters 131 umzulenken (in FIG. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt).
Durch eine solche Umlenkeinheit 135 kann eine besonders flexible Positionierung des Lichtleiters 131 in Bezug auf den Resonator 120 bzw. das Substrat 140 und die Membran 11 1 erzielt werden. Insbesondere ist es möglich, dass - wie in dem Beispiel der FIG. 2 dargestellt - der Lichtleiter 131 entlang seiner Zentralachse 131A an der Rückseite 142 des Substrats 140 angebracht ist. Der Lichtleiter 131 könnte zum Beispiel mittels einer Lötverbindung, mittels Kleber und/oder mechanischen Fixiermitteln wie beispielsweise Klammern etc. an der Rückseite 142 des Substrats 140 angebracht sein. Eine solche Befestigung ist besonders stabil. Außerdem kann der Magnetfeldsensor 101 besonders platzsparend integriert werden.
In dem Beispiel der FIG. 2 ist der optische Resonator 120 durch eine Kavität, die in der Vorderseite 143 des Substrats 140 ausgebildet ist, implementiert. Der Boden 141 der Kavität bildet dabei die untere Fläche des Resonators 120. Der Boden 141 ist beabstandet von der Vorderseite 143 des Substrats 140. Zum Beispiel könnte die Kavität durch Ätzen, wie beispielsweise flüssigätzen oder lonenstrahl-Ätzen geformt werden. Durch eine solche Implementierung des Resonators 120 mittels der Kavität im Substrat 140 kann eine besonders einfache Herstellung erzielt werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass die Membran 1 1 1 flächig auf die Vorderseite 143 des Substrats 140 aufgebracht wird. Dies kann besonders stabil erfolgen. Eine Strukturierung der vergleichsweise dünnen und damit oftmals fragilen Membran 1 1 1 muss nicht notwendigerweise erfolgen. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass die den optischen Resonator 120 implementierende Kavität zumindest teilweise in der Membran 1 1 1 ausgebildet ist.
FIG. 3 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert FIG. 3 Aspekte in Bezug auf die Membran 1 1 1. In FIG. 3 ist die Membran 1 1 1 in zwei beispielhaften Auslenkungszuständen dargestellt. Ein erster Auslenkungszustand (durchgezogene Linie in FIG. 3) entspricht einer Ruhelage der Membran. Die Membran 1 11 ist dabei insbesondere nicht gekrümmt und nicht in Richtung des Bodens 141 des Resonators 120 ausgelenkt. Dadurch ist die Länge L 320 des Resonators 120 vergleichsweise groß. Ein zweiter Auslenkungszustand (gestrichelte Linie in FIG. 3) entspricht einer Auslenkung 31 1 der Membran 1 1 1. Die Membran 1 1 1 ist dabei gekrümmt und in Richtung des Bodens 141 des Resonators 120 ausgelenkt. Dadurch ist die Länge L 320 des Resonators um die Auslenkung 31 1 gegenüber dem ersten Auslenkungszustand verkürzt.
Nunmehr wird die Funktionsweise des Magnetfeldsensors 101 beschrieben. Wenn der Magnetfeldsensor 101 in einem Mess-Magnetfeld 181 angeordnet wird, wirkt eine Kraft auf den Magneten 150 (in FIG. 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Diese Kraft bewirkt, dass die Membran 1 1 1 eine Auslenkung 31 1 erfährt. Dadurch verändert sich die Länge 320 des optischen Resonators 120. Dadurch verschiebt sich das Interferenzspektrum des Resonators 120. Dies kann basierend auf der Sekundärstrahlung 139 vom Detektor 106 detektiert werden. Damit ist das Messsignal 180 indikativ für die Auslenkung 31 1 der Membran. Durch Kenntnis der magnetischen Parameter des Magneten 150, sowie der Bewegungsgleichung für die Membran 311 kann auf die Amplitude und/oder Orientierung des Mess-Magnetfelds 181 zurückgeschlossen werden. Insoweit ist das Messsignal 180 auch indikativ für das Mess-Magnetfeld 181.
In FIG. 3 ist weiterhin dargestellt, in welchem Bereich (schraffiert gefüllt) die Primärstrahlung 138 in den Resonator 120 eintritt und die Sekundärstrahlung 139 aus dem Resonator 120 austritt. Insbesondere ist die Breite 338 dieses Bereichs signifikant kleiner als die Breite 340 des Resonators 120. Zum Beispiel könnte die Breite 338 nicht größer als 20 % der Breite 340 sein, optional nicht größer als 10 %, weiter optional nicht größer als 5 %. Die Breite 338 kann durch die Umlenkeinheit 135 eingestellt werden. Die Breite 338 kann auch durch die Führung des Kerns 133 des Lichtleiters 131 zur Umlenkeinheit 135 beeinflusst werden.
Indem die Breite 338 im Vergleich zu Breite 340 vergleichsweise klein dimensioniert ist, kann erreicht werden, dass die Krümmung der Membran 11 1 im Bereich der optisch sensitiven Zone (in FIG. 3 in der Mitte des optischen Resonators 120, oberhalb des schraffierten Bereichs) gering ist. Insbesondere kann die Krümmung der Membran 1 1 1 auch für signifikante Auslenkungen 311 in der optisch sensitiven Zone vergleichsweise klein sein. Dadurch kann es möglich sein, dass die Länge L 320 des Resonators 120 in der optisch sensitiven Zone scharf definiert ist. Dadurch kann wiederum eine besonders genaue Messung durchgeführt werden.
FIG. 4 illustriert Aspekte in Bezug auf die Primärstrahlung 138. In FIG. 4 ist die Intensität 305 der Primärstrahlung 138 als Funktion der Frequenz dargestellt (gestrichelte Linie in FIG. 4, oben). Aus FIG. 4 ist ersichtlich, dass die Primärstrahlung 138 ein Maximum 307 der Intensität 305 aufweist, sowie eine bestimmte Spektralbreite 306 - z.B. als Halbwertsbreite definiert. Beispielsweise könnte die Spektralbreite 306 einem Wellenlängenbereich mit einer Ausdehnung von 30 nm bis 150 nm entsprechen. Manchmal wird deshalb die Primärstrahlung 138 auch als breitbandig bezeichnet. Insbesondere kann die Primärstrahlung 138 im Vergleich zu Laserstrahlung eine große Spektralbreite 306 aufweisen. Das Maximum der Intensität 307 könnte beispielsweise einer Wellenlänge von zwischen 500 nm bis 1500 nm entsprechen.
FIG. 4 illustriert weiterhin Aspekte in Bezug auf den optischen Resonator 120. Insbesondere illustriert FIG. 4 Aspekte in Bezug auf das Interferenzspektrum 320 des Resonators 120 (durchgezogene Linie in FIG. 4 oben). Aus FIG. 4 ist ersichtlich, dass die Spektralbreite 306 der Primärstrahlung 138 deutlich größer ist als die Periodizität des Interferenzspektrums 320. Generell könnte die Primärstrahlung 138 eine Spektralbreite 306 aufweisen, die mindestens zwei Maximalwerte des Interferenzspektrums des Resonators 120 umfasst, optional mindestens vier Maximalwerte, weiter optional mindestens sechs Maximalwerte. Derart kann eine besonders einfache Lichtquelle 105 verwendet werden. Insbesondere kann es entbehrlich sein, eine Laserlichtquelle zu verwenden. Die Sekundärstrahlung 139 bildet dann das Interferenzspektrum 320 ab.
Außerdem kann der optische Resonator 120 einfach hergestellt werden.
FIG. 4 illustriert weiterhin Aspekte in Bezug auf den Detektor 106. In dem Beispiel der FIG. 4 umfasste Detektor 106 einen Kantenfilter. In FIG. 4 ist die Filterkurve 366 des Kantenfilters dargestellt. Der Kantenfilter ist in dem Beispiel der FIG. 4 als Bandpass-Filter implementiert. In anderen Beispielen könnte der Kantenfilter auch als Hochpass-Filter oder als Tiefpass-Filter implementiert werden. Der Kantenfilter ist typischerweise ein optischer Filter.
Aus FIG. 4 ist ersichtlich, dass die Flanke der Filterkurve 366 des Kantenfilters im Bereich eines Maximums des Interferenzspektrums 305 des Resonators 120 ausgebildet ist (vertikale gestrichelte Line in FIG. 4) - z.B. in Bezug auf die Ruhelage der Membran 1 1 1.
In FIG. 4 ist weiterhin die Verschiebung des Interferenzspektrums 320 für eine beispielhafte Auslenkung 31 1 der Membran 1 1 1 dargestellt. Aus FIG. 4 ist ersichtlich, dass eine solche beispielhafte Auslenkung 311 ein Maximum des Interferenzspektrums 320 innerhalb der Flankenbreite der Filterkurve 366 bewegt. Insbesondere werden nicht mehrere Maxima des Interferenzspektrums 320 durch die Kante der Filterkurve 366 hindurch bewegt. In anderen Worten können die Membran 1 1 1 und der Magnet 150 eingerichtet sein, um innerhalb eines spezifizierten Messbereichs von Mess-Magnetfeldern 181 eine Frequenzverschiebung des Interferenzspektrums 320 zu bewirken, die nicht größer als die Flankenbreite der Filterkurve 366 des Kantenfilters ist.
Z.B. kann daher der Messbereich durch die Dimensionierung der Membran 1 1 1 , etwa Dicke und/oder Elastizität, des Resonators 120, z.B. Breite 340, eingestellt werden. Der Messbereich kann dann in Bezug auf die Flankenbreite der Filterkurve 366 bestimmt sein. Der Messbereich kann die Amplitude und/oder Orientierung des Mess-Magnetfelds 180 bezeichnen, für deren Messung die Vorrichtung 100 ausgelegt ist.
Durch eine solche Technik kann eine besonders genaue Bestimmung des Mess-Magnetfelds 181 erfolgen. Insbesondere kann erreicht werden, dass die Signalantwort des Kantenfilters in guter Näherung linear als Funktion der Frequenzverschiebung des Interferenzspektrums 320 ist: dies kann der Fall sein, weil der Kantenfilter im Bereich der Flanke eine lineare Kenlinie aufweisen kann. Durch die Beschränkung der Messung auf ein einzelnes Maximum des Interferenzspektrums 320 können weiterhin Zweideutigkeiten vermieden werden, die andernfalls auftreten würden, wenn mehr als ein Maximum des Interferenzspektrums 320 berücksichtigt werden würde. Außerdem kann es mittels solcher Techniken möglich sein, vergleichsweise geringe Auslenkungen 311 der Membran 1 11 für typische Mess-Magnetfelder 181 zu verwenden. Dadurch kann die Materialbelastung der Membran 1 11 limitiert werden und es können anharmonische oder nichtlineare Effekte in Bezug auf die Auslenkung 31 1 vermieden werden.
FIG. 5 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101 . Insbesondere illustriert FIG. 5 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. In dem Beispiel der FIG. 5 ist der Magnet 150 als Dünnschicht ausgebildet. Die Schichtdicke der Dünnschicht kann insbesondere kleiner sein als eine Dicke der Membran 1 1 1. Zum Beispiel könnte die Schichtdicke <500 μηι sein, optional <20 μηι, weiter optional <1 μηι. Zum Beispiel könnte die Dünnschicht durch thermisches Verdampfen des magnetischen Materials im Vakuum hergestellt werden. Zum Beispiel könnte die Dünnschicht durch Sputtern hergestellt werden.
Insbesondere bei der Verwendung einer Dünnschicht könnte zum Beispiel eine wohldefinierte Orientierung der Magnetisierung des Magneten 150 erreicht werden. In dem Beispiel der FIG. 5 ist eine out-of-plane Orientierung der Magnetisierung 551 dargestellt, d.h. senkrecht zur Membranfläche 1 12. Es wären auch in-plane Orientierungen der Magnetisierung 552 möglich, d.h. parallel zur Membranfläche 1 12. Zum Beispiel könnte durch eine geeignete Kristall- Anisotropie des Materials des Magneten 150 die Orientierung der Magnetisierung 551 , 552 vorgegeben sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Orientierung der Magnetisierung 551 , 552 auch durch geeignete laterale oder vertikale Strukturierung des Magneten 150 vorgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Orientierung der Magnetisierung 551 , 552 auch durch ein Polarisation-Magnetfeld, welches am Ort des Magneten 150 durch eine entsprechende Magnetfeldquelle angewendet wird, vorgegeben werden. Bei der Verwendung einer Dünnschicht können auch sehr große Magnetfelder gemessen werden. Da die Menge des magnetischen Materials begrenzt ist, kann gleichzeitig die Auslenkung 31 1 der Membran 1 1 1 auch bei großen Amplituden des Mess-Magnetfelds 181 vergleichsweise klein sein. Eine Beschädigung der Membran 1 1 1 wird vermieden.
Während in dem Beispiel der FIG. 5 ein Szenario illustriert es, in dem der Magnet 150 durch eine Dünnschicht implementiert ist, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass der Magnet 150 durch ein Bulk-Material implementiert wird. Dabei könnte die Dicke des Magneten 150 signifikant größer sein als die Dicke der Membran 1 1 1. In einem solchen Beispiel kann es möglich sein, auch vergleichsweise kleine Magnetfelder besonders sensitiv zu vermessen.
Das Material des Magneten 150 kann zum Beispiel ferromagnetisch, paramagnetisch oder dir magnetisch sein. Zum Beispiel könnte eine ferromagnetische Legierung verwendet werden, zum Beispiel Nickel-Eisen-Legierungen. Es könnten auch magnetische Oxide verwendet werden.
In dem Beispiel der FIG. 5 ist die Ausdehnung 250 des Magneten 150 auf der Membran 1 11 größer als die Breite 338 des Bereichs, in dem die Primärstrahlung 138 und die Sekundärstrahlung 139 in den Resonator 120 ein- bzw. austritt. Die Ausdehnung 250 ist aber kleiner als die Breite 340 des Resonators 120.
FIG. 6 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert FIG. 6 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. Das Beispiel der FIG. 6 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 5. In dem Beispiel der FIG. 6 ist die Ausdehnung 250 des Magneten 150 auf der Membran 11 1 größer als die Breite 338 des Bereichs, in dem die Primärstrahlung 138 und die Sekundärstrahlung 139 in den Resonator 120 ein- bzw. austritt. Die Ausdehnung 250 ist auch größer als die Breite 340 des Resonators 120.
FIG. 7 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert FIG. 7 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. Das Beispiel der FIG. 7 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 5. In dem Beispiel der FIG. 7 ist die Ausdehnung 250 des Magneten 150 auf der Membran 1 1 1 in etwa gleich der Breite 338 des Bereichs, in dem die Primärstrahlung 138 und die Sekundärstrahlung 139 in den Resonator 120 ein- bzw. austritt. Die Ausdehnung 250 ist kleiner als die Breite 340 des Resonators 120. FIG. 8 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert FIG. 8 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. Das Beispiel der FIG. 9 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der FIG. 7. In dem Beispiel der FIG. 8 wird jedoch ein Bulk-Magnet 150 verwendet, der eine Ausdehnung 750 senkrecht zur Membran 1 1 1 aufweist, die größer ist, als die Dicke 720 der Membran 1 1 1.
FIG. 9 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert FIG. 9 Aspekte in Bezug auf eine Fluidverbindung 800 zwischen dem Resonator 120 und der Umgebung des Magnetfeldsensors 101. In dem Beispiel der FIG. 9 ist die Fluidverbindung 800 durch einen Kanal in der Membran 1 1 1 ausgebildet. In anderen Beispielen könnte die Fluidverbindung 800 beispielsweise auch durch einen Kanal im Substrat 140 ausgebildet werden (in FIG. 9 nicht dargestellt).
Durch das Vorsehen der Fluidverbindung 800 kann erreicht werden, dass ein Ausgleich zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck im Inneren des Resonators 120 erzielt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass Änderungen des Umgebungsdrucks keine oder keine signifikante Auslenkung der Membran 1 1 1 bewirken. Dadurch können Störeinflüsse verringert werden und das Mess-Magnetfeld 181 kann besonders genau bestimmt werden. FIG. 10 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere ist FIG. 10 eine Perspektivansicht des Magnetfeldsensors 101 von schräg unten. In FIG. 10 ist dargestellt, wie der Lichtleiter 131 in eine entsprechende Aussparung der Rückseite 142 des Substrats 140 eingebettet sein kann. Dadurch kann eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Lichtleiter 131 und dem Magnetfeldsensor 101 erzielt werden.
FIG. 1 1 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere ist FIG. 1 1 eine Perspektivansicht des Magnetfeldsensors 101 von schräg oben.
FIG. 12 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Windkraftanlage 1200. Die Windkraftanlage 1200 weist einen Turm 1232 und eine Gondel 1231 auf. Die Gondel 1231 ist drehbar mit einem Anlagenrotor 1220 verbunden, der insbesondere einen Nabe aufweist. Am Anlagenrotor 1220 sind im Beispiel der FIG. 12 zwei Rotorblätter 121 1 , 1212 befestigt; in anderen Beispielen könnten mehr oder weniger Rotorblätter vorhanden sein. In manchen Beispielen kann es möglich sein, dass der Blattwinkel bzw. Pitch-Winkel 1215 der verschiedenen Rotorblätter 121 1 , 1212 eingestellt werden kann.
Das Verändern des Pitch-Winkels 1215 eines Rotorblatts 121 1 , 1212 entspricht einer Verdrehung des entsprechenden Rotorblatts 121 1 , 1212 um seine Längsachse. Das Verändern des Pitch- Winkels 1215 bewirkt das Verändern des Anströmverhaltens von Wind auf das jeweilige Rotorblatt 121 1 , 1212 und damit das Verändern des vom jeweiligen Rotorblatt 121 1 , 1212 erzeugten Drehmoments. Eine aerodynamische Bremse kann derart implementiert werden. Der Auftrieb kann verringert werden und ein Strömungsabriss kann herbeigeführt oder vermieden werden. Der Kraftfluss zu einem Generator 1251 der Windkraftanlage 1200 kann verändert werden. In machen Beispielen kann Pitch-Winkel 1215 der verschiedenen Rotorblätter 121 1 , 1212 individuell eingestellt werden. Durch das individuelle Einstellen der Pitch-Winkel 1215 der verschiedenen Rotorblätter 121 1 , 1212 kann beispielsweise eine aerodynamische Unwucht kompensiert werden. Die eine aerodynamische Unwucht kann insbesondere bei einer getriebelosen Windkraftanlage (engl, direct drive), bei der der Generator 1251 direkt - das heißt ohne ein Getriebe im Triebstrang 1252 - mit dem Anlagenrotor 1220 verbunden ist, eine Beschädigung des Generators 1251 bewirken - insbesondere bei kleinen Spaltmaßen des Generators 1251. In anderen Beispielen kann die Windkraftanlage 1200 auch ein Getriebe im Triebstrang 1252 aufweisen (in FIG. 12 nicht dargestellt).
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann es möglich sein, mittels eines Magnetfeldsensors 101 wie voranstehend beschrieben einen besonders langlebigen, zuverlässigen und robusten Betrieb des Generators 1251 - insbesondere im Zusammenhang mit einer getriebelosen Windkraftanlage 1200 - zu ermöglichen. Durch das Vermeiden der Notwendigkeit ein Getriebe bereitzustellen, können komplexe Anordnungen von Zahnrädern, Hohlwellen, etc. vermieden werden.
FIG. 13 illustriert Aspekte in Bezug auf den Generator 1251. FIG. 13 ist eine Schnittansicht durch den Generator 1251 ; die Rotationsachse ist senkrecht zur Zeichenebene der FIG. 13 orientiert. Der Generator 1251 in dem Beispiel der FIG. 13 weist eine Innenpolanordnung auf, d.h. der Rotor 1301 umfasst Permanentmagnete 1399 als DC-Magnetfeldquelle und der Stator 1302 umfasst Generatorspulen 131 1 , die eingerichtet sind, um einen Generatorstrom beispielsweise zur Einspeisung ins Stromnetz bereitzustellen. In anderen Beispielen könnte auch eine Außenpolanordnung verwendet werden. In dem Beispiel der FIG. 13 ist der Generator 1251 fremderregt, d.h. über einen Erregerstromfluss der Spulen 1312 kann das von den Permanentmagneten 1399 erzeugte Generator-Magnetfeld 1340 manipuliert werden. Dadurch kann auch die mit den Generatorstrom assoziierte Quellspannung manipuliert werden.
In FIG. 13 sind weiterhin Aspekte in Bezug auf das Spaltmaß 1305 des Generators 1251 dargestellt. Das Spaltmaß 1305 bezeichnet den Abstand zwischen Rotor 1301 und Stator 1302. Ohne Unwucht (in FIG. 13 oben dargestellt) ist das Spaltmaß 1305 an unterschiedlichen Punkten typischerweise gleich dimensioniert. Liegt jedoch eine Unwucht vor (in FIG. 13 unten dargestellt), ist das Spaltmaß 1305 an unterschiedlichen Punkten unterschiedlich. Dadurch kommt es insbesondere zu einer einseitigen Verringerung des Spaltsmaßes (in FIG. 13, unten linksseitig). Wenn das Spaltmaß zu stark reduziert wird, kann es zu einer Beschädigung des Generators 1251 kommen.
Zur Überwachung des Spaltsmaßes 1305 kann ein Mess-Magnetfeld 181 verwendet werden, welches durch eine Magnetfeldquelle 1350 erzeugt wird. Es kann ein AC-Mess-Magnetfeld 181 oder ein DC-Mess-Magnetfeld 181 erzeugt werden. In dem Beispiel der FIG. 13 ist der Magnetfeldsensor 101 starr mit dem Rotor 1301 gekoppelt. Die Magnetfeldquelle 1350 ist starr mit dem Stator 1302 gekoppelt und ist insbesondere im Bereich des Generator-Magnetfelds 1340 angeordnet. Eine Veränderung des Spaltmaßes 1305 bewirkt eine Änderung des Mess- Magnetfelds 181 am Ort des Magnetfeldsensors 101.
In einem Beispiel gemäß FIG. 13, in welchem der Magnetfeldsensor 101 starr mit dem Rotor 1301 verbunden ist, kann es erstrebenswert sein, dass auch die Lichtquelle 105 und/oder der Detektor 106 starr mit dem Rotor 1301 verbunden sind. Beispielsweise könnten die Lichtquelle 105 und/oder der Detektor 106 in der Nabe des Anlagenrotors 1220 angeordnet sein. Dies kann es ermöglichen, andere faseroptische Messtechniken - beispielsweise in Bezug auf die Verformung der Rotorblätter 121 1 - mittels derselben Leuchtquelle 105 und desselben Detektors 106 durchzuführen.
In FIG. 13 ist ein Beispiel dargestellt, in welchem ein einzelner Magnetfeldsensor 101 vorgesehen ist. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass mehrere Magnetfeldsensor 101 an unterschiedlichen Stellen des Rotors 1301 vorgesehen sind. Beispielsweise wäre es möglich, dass die mehreren Magnetfeldsensoren 101 über den Multiplexer 103 mit derselben Lichtquelle 105 und/oder demselben Detektor 106 verbunden sind (vergleiche FIG. 1 ). Durch das Bereitstellen mehrerer Magnetfeldsensoren 101 kann die Unwucht des Rotors 1301 gegenüber dem Stator 1302 besonders genau vermessen werden.
In FIG. 13 ist ein Beispiel dargestellt, in welchem eine einzelne Magnetfeldquelle 1350 zum Erzeugen des Mess-Magnetfelds 181 vorgesehen ist. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass mehrere Magnetfeldquelle in 1350 zum Erzeugen von mehreren Mess- Magnetfeldern vorgesehen sind. Beispielsweise wäre es möglich, dass die mehreren Magnetfeldquellen an unterschiedlichen Positionen des Stators 1302 vorgesehen sind. Zur Diskriminierung zwischen den verschiedenen Mess-Magnetfeldern könnten die von den verschiedenen Magnetfeldquellen erzeugten AC-Mess-Magnetfelder unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Es wäre auch möglich, dass der Detektor 106 ein Steuersignal empfängt, das indikativ für den Drehwinkel des Rotors 1301 ist: daraus ließe sich zurückschließen, welcher Magnetfeldsensor welches DC-Mess-Magnetfeld misst.
Durch den einen oder die mehreren Magentfeldsensoren 101 kann das Spaltmaß 1305 überwacht werden. Insbesondere können geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden, wenn ein signifikantes Absinken des Spaltmaßes 1305 beobachtet wird. Dadurch kann es möglich sein, dass das Spaltmaß 1305 besonders klein dimensioniert wird. Zum Beispiel könnte das Spaltmaß 1305 - beispielsweise in einem Zustand ohne Unwucht - nicht größer als 5 mm sein, optional nicht größer als 3 mm, weiter optional nicht größer als 2 mm. Durch eine derart geringe Dimensionierung des Spaltmaßes 1305 kann ein besonders großer Generatorstrom erzeugt werden.
FIG. 14 illustriert die Amplitude des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 101 als Funktion der Zeit für die Anordnung der FIG. 13. Das Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors 101 setzt sich zusammen aus dem Generator-Magnetfeld 1340, sowie dem Mess-Magnetfeld 181. FIG. 14 illustriert ein Beispiel, in dem das Mess-Magnetfeld 181 ein DC-Mess-Magnetfeld 181 ist. Dies bedeutet, dass eine Zeitabhängigkeit der Amplitude des Mess-Magnetfelds 181 aufgrund der Rotation des Rotors 1301 bewirkt wird - und nicht (zusätzlich) durch eine zeitvariable Komponente des Mess-Magnetfelds 181 im Bezugssystem des Stators 1302. Entsprechende Techniken ließen sich aber auch mit AC-Mess-Magnetfeldern 181 implementieren. Da sich der Rotor 1301 gegenüber der Magnetfeldquelle 1350 bewegt, weist das Mess- Magnetfeld 1351 eine periodische Zeitabhängigkeit auf. Außerdem verändert sich die Amplitude des Mess-Magnetfelds 1351 als Funktion des Spaltmaßes 1305. Die Amplitude des Generator- Magnetfelds 1340 bildet eine Grundlinie (in FIG. 14 mit der gestrichelten Linie dargestellt). Zum Beispiel wäre es möglich, einen Hochpassfilter zu implementieren, um das von dem Mess- Magnetfeld 181 hervorgerufene Signal von dem vom Generator-Magnetfeld 1340 hervorgerufenen Signal zu trennen. Beispielsweise wäre es möglich, dass der Detektor 106 einen entsprechenden Filter aufweist. Der Filter kann beispielsweise ein Steuersignal empfangen, das indikativ für die Frequenz des Mess-Magnetfeld 1351 am Ort des Magnetfeldsensors 101 ist. Das Signal kann beispielsweise die Rotationsfrequenz des Rotor 1301 indizieren. Dann wäre es möglich, dass der Filter zum Beispiel das Messsignal 180 in Abhängigkeit dieses Steuersignals filtert. Dadurch können zum Beispiel Lock-in Techniken umgesetzt werden und es kann eine hohe Genauigkeit in Bezug auf das Bestimmen des Mess-Magnetfelds 1350 erzielt werden.
Obenstehend wurden verschiedene Techniken beschrieben, mittels welchen es möglich ist, durch die Messung des Mess-Magnetfelds 181 das Spaltmaß 1305 zu überwachen. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass der Detektor 106 eingerichtet ist, um das Messsignal 180 auszugeben, welches indikativ für das Spaltmaß 1305 ist. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Steuerung 107 eingerichtet ist, um das Spaltmaß 1305 auf Grundlage des Messsignals 180 zu bestimmen.
In manchen Beispielen kann die Steuerung 107 eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 das Spaltmaß 1305 zu überwachen. Wird zum Beispiel festgestellt, dass das Spaltmaß 1305 einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet, können Gegenmaßnahmen ausgelöst werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass die Steuerung 107 einen Regelkreis implementiert, der einen bestimmten Soll-Wert für das Spaltmaß 1305 umsetzt.
Zum Beispiel könnte die Steuerung 107 eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 mindestens einem Betriebsparameter des mindestens einen Rotorblatts 121 1 , 1212 der Windkraftanlage 1200 einzustellen. Der Betriebsparameter könnte zum Beispiel der Pitch-Winkel 1251 sein. Beispielsweise könnte durch individuelle Regelung der Pitch-Winkel 1251 der verschiedenen Rotorblätter 121 1 , 1212 eine aerodynamische Unwucht, die in einer Veränderung des Spaltmaßes 1305 resultiert, kompensiert werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Steuerung 107 eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 mindestens einen Betriebsparameter des Generators 1251 einzustellen. Zum Beispiel könnte in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 der Erregerstrom durch die Spulen 1312 angepasst werden. Derart könnte die aerodynamische Unwucht, die in einer Veränderung des Spaltmaßes 1305 resultiert, kompensiert werden.
FIG. 15 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. In Block 5001 wird zunächst Primärstrahlung in einen optischen Resonator eingestrahlt. Dazu wird beispielsweise ein Lichtleiter verwendet. Außerdem kann eine Umlenkeinheit verwendet werden, die eingerichtet ist, um aus einem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung in Richtung des Resonators umzulenken, beispielsweise um einen Winkel von in etwa 90°. Der optische Resonator kann auf einer Seite durch eine Membranfläche einer beweglichen bzw. elastischen Membran begrenzt sein. Auf der Membran kann zum Beispiel ein Magnet angeordnet sein. Dann kann eine Kraftwirkung auf die Membran ausgeübt werden, wobei die Stärke der Kraftwirkung von einem Mess-Magnetfeld am Ort des Magneten abhängt. Eine Auslenkung der Membran resultiert, wodurch wiederum das Interferenzspektrum des Resonators verändert wird.
In Block 5002 wird dann aus dem Resonator austretende Sekundärstrahlung detektiert. Dazu kann beispielsweise eine Fotodiode etc. verwendet werden. In verschiedenen Beispielen kann die Sekundärstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge detektiert werden, indem zum Beispiel ein Kantenfilter verwendet wird. Es wäre aber auch möglich, dass die Sekundärstrahlung Wellenlängen-aufgelöst detektiert wird, indem zum Beispiel ein Spektrometer wie ein Gitter- Spektrometer verwendet wird. Die Sekundärstrahlung kann insbesondere indikativ für das Interferenzspektrum des Resonators sein.
In Block 5003 wird ein Messsignal ausgegeben. Das Messsignal kann beispielsweise indikativ für die Amplitude und/oder die Orientierung eines Magnetfelds am Ort des Resonators sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Messsignal indikativ für die Auslenkung der Membran sein.
FIG. 16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele. In Block 5101 wird ein Mess-Magnetfeld in einem Generator, beispielsweise einem Generator einer Windkraftanlage, gemessen. Zum Messen des Mess-Magnetfelds in Block 5101 kann zum Beispiel das Verfahren gemäß FIG. 15 eingesetzt werden. Anschließend erfolgt in Block 5102 das Steuern eines Betriebsparameters, etwa des Generators oder eines Triebstrangs, der mit dem Generator gekoppelt ist. Beispielsweise könnte ein Erregerstrom der zum Aufmagnetisieren einer DC-Magnetfeldquelle des Generators verwendet wird, variiert werden. Dadurch kann beispielsweise eine Unwucht des Rotors des Generators gegenüber dem Stator des Generators reduziert werden.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel wurden obenstehend verschiedene Beispiele beschrieben, in welchen ein Magnetfeldsensor mit einem optischen Resonator ortsfest mit einem Rotor eines Generators verbunden ist. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, entsprechende Techniken für Beispiele zu implementieren, in welchen der Magnetfeldsensor ortsfest mit einem Stator des Generators verbunden ist. Zum Beispiel wäre es im Zusammenhang mit solchen Techniken, bei welchen der Magnetfeldsensor ortsfest mit dem Stator des Generators verbunden ist, möglich, dass das Mess-Magnetfeld, welches anhand des Magnetfeldsensors erfasst und ausgewertet wird, das Generator-Magnetfeld ist, welches auch zur induktiven Stromerzeugung verwendet wird.
Während voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf einen Detektor beschrieben wurden, der einen Kantenfilter umfasst, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass der Detektor zum Beispiel ein Spektrometer umfasst. Mittels des Spektrometers kann es möglich sein, die Intensität der Sekundärstrahlung Wellenlängen-aufgelöst zu detektieren.
Während voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf einen Generator einer Windkraftanlage beschrieben wurden, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, entsprechende Techniken für andere Generatoren anzuwenden. Zum Beispiel wäre es möglich, entsprechende Techniken für Generatoren im Zusammenhang mit der Stromerzeugung durch Kraftstoff-Verbrennung oder Generatoren im Zusammenhang mit der Stromerzeugung durch Wasserkraft einzusetzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (100), die umfasst:
- einen Lichtleiter (131 ) mit einem Ende (134),
- eine Membran (1 1 1 ) mit einer Membranfläche (1 12),
- einen zwischen der Membranfläche (1 12) und einer Substratfläche (141 ) ausgebildeten optischen Resonator (120),
- eine Umlenkeinheit (135), die eingerichtet ist, um aus dem Ende (134) des Lichtleiters (131 ) austretende Primärstrahlung (138) in Richtung des Resonators (120) umzulenken, und
- einen Magneten (150), der auf der Membran (11 1 ) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 ,
wobei die Umlenkeinheit (135) eingerichtet ist, um die Primärstrahlung (138) um einen Winkel (135A) umzulenken, der nicht kleiner als 45° ist, optional nicht kleiner als 80°, weiter optional nicht kleiner als 88°.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin umfasst:
- ein für die Primärstrahlung (138) lichtdurchlässiges Substrat (140) mit einer der Membran (11 1 ) zugewendeten Vorderseite (143) und einer Rückseite (142),
wobei der Lichtleiter (131 ) entlang seiner Zentralachse (131A) an der Rückseite (142) des Substrats (140) angebracht ist.
4. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:
- ein für die Primärstrahlung (138) lichtdurchlässiges Substrat (140) mit einer der
Membran (1 11 ) zugewendeten Vorderseite (143) und einer Rückseite (142), und
- eine Kavität, die in der Vorderseite (143) des Substrats (140) ausgebildet ist, wobei der Boden der Kavität die Substratfläche (141 ) des Resonators ausbildet.
5. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei der Magnet (150) Elemente umfasst, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: ein Bulk-Material; eine magnetische Dünnschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 500 μηι, optional von weniger als 20 μηι, weiter optional von weniger als 1 μηι; ferromagnetisches Material; paramagnetisches Material; diamagnetisches Material; eine Magnetisierung, die senkrecht zur Membranfläche (1 12) angeordnet ist; und eine Magnetisierung, die parallel zur Membranfläche (112) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:
- eine Fluidverbindung (800) zwischen dem Resonator (120) und der Umgebung der
Vorrichtung (100).
7. Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst:
- einen Detektor (106), der eingerichtet ist, um vom Resonator (120) reflektierte
Sekundärstrahlung zu detektieren und um ein elektrisches Messsignal (180) auszugeben, das indikativ für die Auslenkung (31 1 ) der Membran (11 1 ) ist.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7,
wobei die Primärstrahlung (138) eine Spektralbreite (306) aufweist, die mindestens zwei Maximalwerte des Interferenzspektrums (320) des Resonators (120) umfasst, optional mindestens vier Maximalwerte, weiter optional mindestens sechs Maximalwerte.
9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8,
wobei der Detektor (106) einen optischen Kantenfilter umfasst,
wobei die Membran (1 1 1 ) und der Magnet (150) eingerichtet sind, um innerhalb eines
Messbereichs von Mess-Magnetfeldern (181 ) eine Frequenzverschiebung des
Interferenzspektrums des Resonators zu bewirken, die nicht größer ist als die Flankenbreite einer Filterkurve (366) des Kantenfilters.
10. System, das umfasst:
- einen Generator (1251 ) mit einem Rotor (1301 ), einem Stator (1302), einer DC- Magnetfeldquelle (1312) und einer Spule (131 1 ), die im Bereich des Generator-Magnetfelds (1340) der DC-Magnetfeldquelle (1312) angeordnet ist und eingerichtet ist, um einen
Generatorstrom bereitzustellen, und
- die Vorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei der Resonator (120) der Vorrichtung (100) im Bereich des Generator-Magnetfelds (1340) der DC-Magnetfeldquelle (1312) angeordnet ist.
1 1 . System nach Anspruch 10,
wobei ein Spaltmaß (1305) zwischen Rotor (1301 ) und Stator (1302) nicht größer als 5 mm ist, optional nicht größer als 3 mm, weiter optional nicht größer als 2 mm.
12. System nach Anspruch 10 oder 11 , das weiterhin umfasst:
- eine weitere Magnetfeldquelle (1350), die eingerichtet ist, um ein Mess-Magnetfeld (1351 ) zu erzeugen,
wobei der Resonator (120) der Vorrichtung (100) im Bereich des Mess-Magnetfelds (1351 ) der weiteren Magnetfeldquelle (1350) angeordnet ist.
13. System nach einem der Ansprüche 10 - 12, das weiterhin umfasst:
- die Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 - 9, und
- einen Filter, der eingerichtet ist, um ein Steuersignal zu empfangen, das indikativ für eine Frequenz des Mess-Magnetfelds (1351 ) am Ort des Resonators (120) ist, und um das Messsignal (180) in Abhängigkeit des Steuersignals zu filtern.
14. Windkraftanlage (1200), die umfasst:
- das System nach einem der Ansprüche 10 - 13, und
- mindestens ein Rotorblatt (121 1 , 1212), das mit dem Rotor (1301 ) des Generators (1251 ) gekoppelt ist.
15. Windkraftanlage (1200) nach Anspruch 14,
wobei das mindestens eine Rotorblatt (121 1 , 1212) nicht über ein Getriebe mit dem Rotor (1301 ) des Generators (1251 ) gekoppelt ist.
16. Windkraftanlage (1200) nach Anspruch 14 oder 15, die weiterhin umfasst:
- einen Detektor (106), der eingerichtet ist, um vom Resonator (120) reflektierte Sekundärstrahlung zu detektieren und um ein elektrisches Messsignal (180) auszugeben, das indikativ für die Auslenkung der Membran (11 1 ) ist, und
- eine Steuerung (107), die eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von dem Messsignal
(180) mindestens einen Betriebsparameter des mindestens einen Rotorblatts (121 1 , 1212) und/oder des Generators (1251 ) einzustellen.
17. Verfahren, das umfasst:
- mittels eines Lichtleiters (131 ) und einer Umlenkeinheit (135), die aus dem Ende (134) des Lichtleiters (131 ) austretende Primärstrahlung (138) umlenkt: Einstrahlen der
Primärstrahlung (138) in einen Resonator (120), der zwischen einer Membranfläche (1 12) einer Membran (1 1 1 ) und einer Substratfläche (141 ) ausgebildet ist,
wobei ein Magnet (150) auf der Membran (1 11 ) angeordnet ist.
18. Verfahren, das umfasst:
- Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators (1251 ) einer Windkraftanlage
(1200) mit mindestens einem Rotorblatt (121 1 , 1212), und
- Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts (121 1 , 1212) und/oder des Generators (1251 ) in Abhängigkeit des Messens, wobei das Magnetfeld mittels der Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 - 9 gemessen wird.
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