DE102009013795A1

DE102009013795A1 - Faseroptische Messvorrichtung und Messverfahren

Info

Publication number: DE102009013795A1
Application number: DE200910013795
Authority: DE
Inventors: Mathias Müller; Lars Hoffmann; Alexander W. Koch
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Vc Viii Polytech Holding Aps Dk
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: DE102009013795B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Messvorrichtung (100) zur Erfassung einer mechanischen Spannung (409) bereit. Die optische Messvorrichtung (100) schließt eine Lichtquelle (101) ein, die ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge schnell variablen optischen Primärstrahlung (407). Mindestens ein Sensorelement (301, 302, 303) wird mit einer mechanischen Spannung (409) beaufschlagt und beeinflusst die Ausbreitung der eingestrahlten optischen Primärstrahlung (407). Die optische Primärstrahlung (407h) wird über eine optische Übertragungseinrichtung (200) von der Lichtquelle (101) zu dem Sensorelement (301, 302, 303) übertragen. Ein optischer Detektor (102) ist ausgelegt zur Abfassung mindestens einer optischen Sekundärstrahlung aus dem Sensorelement (301, 302, 303) in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung (407) und der mechanischen Spannung (409). Eine betriebsmäßig mit dem optischen Detektor (102) verbundene Signalverarbeitungseinrichtung (107) dient zur Bestimmung der mechanischen Spannung (409).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung von mechanischen Messgrößen wie beispielsweise Kräften, mechanischen Spannungen, Dehnungen, etc. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Messvorrichtung basierend auf optischen Wellenleitern und ein entsprechendes faseroptisches Messverfahren.
In vielen Bereichen der Technik finden faseroptische Sensoren weit verbreitete Anwendung. Vorteile optischer Sensoren liegen u. a. in der nicht-galvanischen Verbindung zwischen Messvorrichtung und Messobjekt, einer hohen Messgeschwindigkeit, einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung und einer Störungsunempfindlichkeit. Von einer Lichtquelle emittierte optische Primärstrahlung wird an einem Sensorelement modifiziert, wobei die modifizierte optische Primärstrahlung als optische Sekundärstrahlung detektierbar und analysierbar ist.
Derartige Sensoren für mechanische Größen sind zunehmend miniaturisierbar ausgelegt, wobei ferner eine große Anzahl an Sensoren gleichzeitig abgefragt werden. Derartige Multisensorsysteme lassen sich insbesondere durch die Verwendung von Lichtwellenleitern als optisches Ausbreitungsmedium effizient einsetzen.
STAND DER TECHNIK
Zur Erfassung mechanischer Größen wie etwa Dehnungen werden typischerweise Dehnungsmessstreifen eingesetzt, welche auf das zu untersuchende Messobjekt mittels Klebemittel aufgebracht sind. Derartige Dehnungsmessstreifen sind beispielsweise aus Ohmschen Widerstandsmaterialien, aus Halbleitern oder Konstantan-Folien bereitgestellt, wobei sich der von außen messbare elektrische Widerstand derartiger Dehnungsmessstreifen mit der auf den Dehnungsmessstreifen wirkenden mechanischen Dehnung ändert.
Ein optisches Äquivalent zu den oben beschriebenen Widerstands-Dehnungsmessstreifen stellen in Lichtwellenleiter eingeprägte bzw. eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter dar. Hierbei wird Licht in einen optischen Wellenleiter bzw. eine Lichtleitfaser eingekoppelt, die an mindestens einer lokalen Stelle ein derartiges Faser-Bragg-Gitter aufweist.
Üblicherweise entsteht ein optischer Interferenz-Effekt in dem Faser-Bragg-Gitter dadurch, dass eine Brechungsindex-Variation des Lichtwellenleiterkerns im Bereich des Faser-Bragg-Gitters periodisch moduliert ist. Eine derartige Periode bzw. Periodenlänge (Modulationslänge) ist abhängig von einer mechanischen Dehnung bzw. mechanischen Spannung der Lichtwellenleiterfaser, beispielsweise entlang ihrer Achse. Wird eine Periodenlänge einer derartigen Brechungsindex-Modulation variiert, wird folglich auch eine Filterfunktion des Faser-Bragg-Gitters verändert.
Aus einem Spektrum des an dem Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts bzw. des durch das Faser-Bragg-Gitter transmittierten Lichts lässt sich auf eine Dehnung der Lichtwellenleiterfaser im Bereich des Faser-Bragg-Gitters rückschließen.
Eine derartige spektrale Abtastung am Ausgang der Lichtwellenleiterfaser, d. h. nach einer Reflexion bzw. nach einer Transmission an bzw. durch das Faser-Bragg-Gitter, ist in nachteiliger Weise zeitaufwändig und kompliziert. D. h., eine spektrale Analyse des reflektierten bzw. transmittierten Lichts erfordert entweder eine spektroskopische Anordnung oder eine Abtastung des detektierten Lichts als Funktion der Wellenlänge. Ferner wird an einem Faser-Bragg-Gitter nur ein geringer Teil der einfallenden Lichtleistung reflektiert bzw. wird die einfallende Lichtleistung, im Falle der Transmission, durch das Faser-Bragg-Gitter nur geringfügig verändert.
Hierdurch ergibt sich der Nachteil herkömmlicher, auf Faser-Bragg-Gittern beruhender optischer Messsysteme dadurch, dass eine hohe primäre Lichtleistung bereitgestellt werden muss, wobei nur geringe Intensitätsänderungen in der reflektierten bzw. transmittierten sekundären Lichtleistung detektierbar sind.
Wenn zudem mehrere Faser-Bragg-Gitter mit unterschiedlicher Mittenwellenlänge, die entlang einer optischen Faser angeordnet sind, durch eine einzige Primärlichtquelle angesprochen werden sollen, muss diese Primärlichtquelle eine ausreichend gleichmäßige spektrale Intensität über einen breiten Wellenlängenbereich aufweisen. Derartige Lichtquellen sind komplex und damit in nachteiliger Weise teuer.
Ferner ist die Auswertungsseite äußerst aufwändig, da eine spektrale Analyse des an einem oder mehreren Faser-Bragg-Gittern reflektierten Lichts bzw. des durch diese transmittierten Lichts vorgenommen werden muss. Eine derartige, für herkömmliche faseroptische Sensoren erforderliche spektrale Analyseeinheit führt in nachteiliger Weise zu einem komplexen Messsystem, welches störanfällig ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten faseroptischen Sensor zur Messung von Kräften und mechanischen Spannungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Messvorrichtung zur Erfassung einer mechanischen Spannung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ferner wird die obige Aufgabe durch ein in dem nebengeordneten Patentanspruch 12 angegebenes Verfahren gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Lichtquelle bereitzustellen, welche ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge rasch variablen optischen Primärstrahlung. Mit einer derartigen optischen Primärstrahlung wird die Filterfunktion des Sensorelements, beispielsweise eines Faser-Bragg-Gitters, mit hoher Geschwindigkeit abgetastet, wobei ein optischer Detektor das an dem Sensorelement reflektierte Primärlicht bzw. das durch das Sensorelement transmittierte Primärlicht detektiert.
In vorteilhafter Weise kann der optische Detektor als eine einfache Photodiode ohne spektrale Auflösung des detektierten Wellenlängenbereichs ausgelegt sein. Der optische Detektor ist insbesondere zur Erfassung einer optischen Sekundärstrahlung aus dem Sensorelement in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung ausgelegt.
Auf diese Weise können vorteilhaft Kräfte, Momente, mechanische Spannungen, etc. zeitlich hoch aufgelöst erfasst werden. Variationen von beispielsweise einer Lichtquellenintensität oder sonstigen Parametern der optischen Messvorrichtung können durch die schnelle Abtastung eliminiert oder zumindest stark reduziert werden. Ferner können in der Größe und Richtung schnell variierende Kräfte, Dehnungen, Stauchungen, etc. aufgrund der hohen Abtastrate effizient erfasst werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Messvorrichtung zur Erfassung mindestens einer mechanischen Spannung bereit. Die optische Messvorrichtung umfasst eine Lichtquelle, welche ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung, und mindestens ein Sensorelement, das mit der mechanischen Spannung beaufschlagbar ist.
Eine optische Übertragungseinrichtung ist ausgelegt zur Übertragung der von der Lichtquelle ausgesandten, in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung zu dem Sensorelement hin. Ein optischer Detektor ist ausgelegt zur Erfassung mindestens einer optischen Sekundärstrahlung aus dem Sensorelement in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung. Eine betriebsmäßig mit dem optischen Detektor verbundene Signalverarbeitungseinrichtung dient zur Bestimmung der mechanischen Spannung aufgrund der detektierten optischen Sekundärstrahlung.
Bevorzugt ist der optische Detektor über eine optische Kopplereinheit optisch an die Übertragungseinrichtung gekoppelt. Auf diese Weise ist es möglich, eine von dem Sensorelement reflektierte Sekundärstrahlung effizient zu empfangen.
In vorteilhafter Weise umfasst die Lichtquelle, die ausgelegt ist zum Aussenden einer in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung, einen in der Wellenlänge verstimmbaren Laser.
Der in der Wellenlänge verstimmbare Laser ist vorteilhaft als eine monolithisch verstimmbare Laserdiode bereitgestellt. Eine derartige modulierte verstimmbare Laserdiode weist in vorteilhafter Weise ein Reflektor-Steuerelement zur Variation der Wellenlänge in Abhängigkeit von mindestens einem zugeführten Steuerstrom auf.
Ein derartiger Steuerstrom wird durch eine Stromsteuereinheit, die in der optischen Messvorrichtung bereitgestellt ist, erzeugt.
Das mit der mindestens einen mechanischen Spannung beaufschlagbare Sensorelement ist vorteilhaft eines aus der Gruppe eines Faser-Bragg-Gitters, eines Fabry-Perot-Interferometers und eines Dünnschicht-Interferometers.
Vorzugsweise ist die optische Übertragungseinrichtung als ein Lichtwellenleiter bereitgestellt. Ein derartiger Lichtwellenleiter kann einen kreisförmigen oder einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Übertragungseinrichtung als eine faseroptische Leitung bereitgestellt.
Vorzugsweise ist die optische Übertragungseinrichtung integral mit dem Sensorelement ausgebildet. Das Sensorelement kann auf effiziente Weise in die optische Übertragungseinrichtung mittels UV-Laserstrahlung eingeschrieben werden, derart, dass zur Messung erforderliche Brechungsindex-Variationen im Bereich des Sensorelements bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Messvorrichtung ferner einen Referenzdetektor, welcher ausgelegt ist zur Erfassung eines von einer Strahlungsintensität der optischen Primärstrahlung abhängigen Referenzsignals. Auf diese Weise ist es möglich, eine Strahlungsintensität der Primärlichtquelle zu überwachen. Zu diesem Zweck ist eine Referenzsignal-Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt, welche ausgelegt ist zur Verarbeitung des Referenzsignals und zu einer entsprechenden Steuerung der Strahlungsintensität der Primärlichtquelle.
Bevorzugtermaßen kann die optische Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung umfassen, welche mindestens zwei Sensorelemente aufweist. Die mindestens zwei Sensorelemente weisen in vorteilhafter Weise voneinander verschiedene Wellenlängen-Ansprechbereiche auf, derart, dass von den Sensorelementen ausgehende, reflektierte oder transmittierte Sekundärstrahlung unterscheidbar ist. Die mindestens zwei Sensorelemente sind in vorteilhafter Weise entlang eines einzigen Lichtwellenleiters einprägbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die optische Messvorrichtung ferner eine Laufzeit-Erfassungseinrichtung zur Bestimmung eines Orts eines Sensorelements entlang der optischen Übertragungseinrichtung bzw. des Lichtwellenleiters auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren zum Messen einer mechanischen Spannung, wobei ein optischer Wellenleiter mit mindestens einem optischen Sensorelement, welches einen Wellenlängen-Ansprechbereich aufweist, bereitgestellt wird. Ferner wird eine optische Primärstrahlung in den optischen Wellenleiter eingestrahlt, wobei das optische Sensorelement mit der mechanischen Spannung beaufschlagt wird. Schließlich wird mindestens eine optische Sekundärstrahlung aus dem optischen Wellenleiter in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung erfasst, wobei die optische Primärstrahlung während des Einstrahlens innerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs in der Wellenlänge variiert wird. Das Verfahren erfasst bevorzugt eine optische Sekundärstrahlung, welche einem Teil der an dem optischen Sensorelement reflektierten optischen Primärstrahlung entspricht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die mindestens eine optische Sekundärstrahlung einem Teil der durch das optische Sensorelement transmittierten optischen Primärstrahlung. Somit lässt sich in vorteilhafter Weise ein Transmissionsspektrum des optischen Sensorelements, welches durch die mechanische Spannung am Sensorelement variiert wird, erfassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die optische Sekundärstrahlung in der Wellenlänge aufgelöst.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die optische Primärstrahlung über einen Wellenlängen-Abstimmbereich abgestimmt, der größer ist als eine Halbwertsbreite einer Filterfunktion des mindestens einen optischen Sensorelements.
Vorzugsweise erfolgt ein Abstimmen der Wellenlänge der optischen Primärstrahlung über die Halbwertsbreite der Filterfunktion des mindestens einen optischen Sensorelements in einer Zeitdauer in einem Bereich von 10 ns bis 150 ns, vorzugsweise in einem Zeitbereich von 100 ns (Nanosekunden).
Das mindestens eine optische Sensorelement lässt sich mittels UV-(Ultraviolett-)Laserstrahlung in die optische Übertragungseinrichtung einprägen. Damit ist die optische Übertragungseinrichtung vorzugsweise integral mit einem oder mehreren Sensorelementen ausgebildet.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Sensorelemente seriell mittels der über eine optische Übertragungseinrichtung übertragenen optischen Primärstrahlung angesprochen.
In vorteilhafter Weise sind die an den mindestens zwei optischen Sensorelementen reflektierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche der mindestens zwei optischen Sensorelemente voneinander unterscheidbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Messverfahren eine Unterscheidung von durch die mindestens zwei Sensorelemente transmittierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche der mindestens zwei Sensorelemente.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die aus den mindestens zwei optischen Sensorelementen emittierten optischen Sekundärstrahlungen mittels unterschiedlicher Laufzeiten zwischen entsprechendem Sensorelement und zugehöriger Sende-/Empfangseinheit von einander unterscheidbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Blockbild einer optischen Messvorrichtung umfassend eine Interrogatoreinrichtung, eine optische Übertragungseinrichtung und eine Sensoreinrichtung;
2 einen Ausschnitt eines optischen Wellenleiters mit einem Sensorelement zur Veranschaulichung des Messverfahrens, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
3 eine Filterfunktion eines Faser-Bragg-Gitters im Reflexionsmodus, d. h. einen Graphen einer Reflexionsintensität als Funktion der Wellenlänge;
4 ein Blockbild einer faseroptischen Messvorrichtung mit einer in die optische Übertragungseinrichtung integrierten Kopplereinheit, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
5 einen schematischen Aufbau einer Laserlichtquelle, welche ausgelegt ist, über Reflektor-Steuerelemente eine Wellenlänge von emittiertem Laserlicht zu variieren;
6 ein Blockbild einer faseroptischen Messvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
7 ein Blockbild einer Steuereinrichtung für eine Laserlichtquelle für die in 6 dargestellte optische Messvorrichtung, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
8 ein Blockbild einer faseroptischen Messvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich zu dem in 6 dargestellten Messsystem ein Referenzdetektor und eine Referenzsignal-Verarbeitungseinrichtung zur Erfassung eines Referenzsignals bereitgestellt sind, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
9 ein Blockbild zur Verdeutlichung einer Abfrage mehrerer in der Sensoreinrichtung angeordneten Sensorelemente durch die Interrogatoreinrichtung mittels eines Laufzeitverfahrens; und
10 ein Flussdiagramm, welches ein optisches Messverfahren zum Messen einer mechanischen Spannung veranschaulicht, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
Es wird eine Messvorrichtung zur Erfassung mindestens einer mechanischen Spannung bereitgestellt, welche eine Lichtquelle, mindestens ein Sensorelement, eine optische Übertragungseinrichtung und einen optischen Detektor einschließt. Eine von der Lichtquelle ausgesandte optische Primärstrahlung wird während eines Einstrahlens innerhalb eines Wellenlängen-Ansprechbereichs des Sensorelements variiert.
1 zeigt eine optische Messvorrichtung 100, welche aus drei Untereinheiten besteht, d. h. einer Interrogatoreinrichtung 105, in welcher im Wesentlichen Sende-, Empfangs- und Auswertekomponenten enthalten sind, einer optischen Übertragungseinrichtung 200 zur Übertragung optischer Strahlung und einer Sensoreinrichtung 300 zur Erfassung mechanischer Spannungen 409. Die Sensoreinrichtung 300 weist mindestens ein Sensorelement 301 auf, welches mit der zu messenden mechanischen Spannung 409 beaufschlagbar ist.
In der in 1 dargestellten Sensoreinrichtung 300 sind drei Sensorelemente, d. h. ein erstes Sensorelement 301, ein zweites Sensorelement 302 und ein n-tes Sensorelement 303 gezeigt. Es sei hier darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Sensorelementen in einer Anzahl n in der Sensoreinrichtung 300 bereitgestellt sein kann.
Die optische Messvorrichtung 100 weist elektronische Komponenten auf, die im Wesentlichen in der Interrogatoreinrichtung 105 enthalten sind. Die übrigen Komponenten, d. h. die Übertragungseinrichtung 200 und die Sensoreinrichtung 300, arbeiten auf optischer Basis, d. h. Licht, welches in die Übertragungseinrichtung 200 eingestrahlt wird, wird zu der Sensoreinrichtung 300 bzw. den Sensorelementen 301, 302, 303 weitergeleitet und wird dort durch die mechanische Spannung 409 verändert, bevor es zurück geleitet wird.
Das aus den Sensorelementen 301, 302, 303 emittierte, veränderte Primärlicht wird somit über die Übertragungseinrichtung 200 zurück zu der Interrogatoreinrichtung 105 geleitet. Die mechanische Spannung 409, die auf ein Sensorelement 301, 302, 303 wirkt, ist unten stehend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert.
Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, sei hier darauf hingewiesen, dass die optische Übertragungseinrichtung 200 nicht auf einen einzelnen Lichtwellenleiter beschränkt ist, d. h. es können zwei oder mehrere Lichtwellenleiter bereitgestellt sein. Unten stehend wird beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, dass ein einzelner Lichtwellenleiter zu einem Sensorelement 301 dann vorteilhaft ist, wenn eine optische Kopplereinheit eingesetzt wird.
Im Folgenden wird die Interrogatoreinrichtung 105 zur Abfrage des in den Sensorelementen 301, 302, 303 der Sensoreinrichtung 300 veränderten Primärlichts näher beschrieben. Die Interrogatoreinrichtung 105 weist eine Lichtquelle 101 auf, welche eine optische Primärstrahlung 407 zu dem Eingang der optischen Übertragungseinrichtung 200 aussendet. Aus der optischen Übertragungseinrichtung, beispielsweise von den Sensorelementen 301, 302, 303 rückreflektiertes Primärlicht wird aus der Übertragungseinrichtung 200 als eine optische Sekundärstrahlung 408 ausgegeben und von einem optischen Detektor 102 erfasst.
Eine zentrale Steuereinrichtung 103 steuert die optische Lichtquelle 101 und den optischen Detektor 102. Der optische Detektor 102 kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eine einfache Photodiode zur Lichtintensitätsmessung bereitgestellt werden. Auf diese Weise ist eine schnelle optische Datenerfassung ermöglicht. Die optische Lichtquelle, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als ein Laser bereitgestellt sein kann, wird unten stehend unter Bezugnahme auf 5 näher beschrieben. So dient die Steuereinrichtung 103 u. a. einer Steuerung der Emissionswellenlänge der Lichtquelle 101.
Die Steuereinrichtung 103 ist innerhalb der Interrogatoreinrichtung 105 mit einer Eingabe-Ausgabeeinheit 104 verbunden, über welche ein der mechanischen Spannung 409 entsprechendes Messsignal 406 ausgegeben werden kann bzw. über welche Steuerbefehle 410 eingegeben werden können.
Die Interrogatoreinrichtung 105 weist ferner eine Laufzeit-Erfassungseinrichtung 113 auf, welche mit der Steuereinrichtung 103 zusammenwirkt. Die Laufzeit-Erfassungseinrichtung 113 dient einer Erfassung einer Laufzeit eines Lichtsignals von der Interrogatoreinrichtung 105 zu einem individuellen Sensorelement 301, 302, 303 und zurück, um eine Ortsposition des individuellen Sensorelements über eine Laufzeitmessung zu bestimmen. Das Verfahren zur Laufzeitmessung wird unten stehend unter Bezugnahme auf 9 näher erläutert.
Eine derartige Laufzeiterfassung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die optische Primärstrahlung gepulst ist und/oder wenn eine Phasenbeziehung zwischen Lichtwellen von optischer Primärstrahlung und optischer Sekundärstrahlung bestimmbar ist.
Die optische Übertragungseinrichtung 200 zur Übertragung optischer Strahlung zwischen der Interrogatoreinrichtung 105 und der Sensoreinrichtung 300 ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Lichtwellenleiter bereitgestellt. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der Lichtwellenleiter 200, der, wie unten stehend beschrieben wird, das mindestens eine Sensorelement 301, 302, 303 integral einschließen kann, nicht beschränkt ist auf einen Lichtwellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt.
Eine als Lichtwellenleiter ausgebildete optische Übertragungseinrichtung 200 kann vielmehr einen beliebigen Querschnitt, wie beispielsweise einen elliptischen Querschnitt, einen Rechteck-Querschnitt, einen Dreieck-Querschnitt, etc. aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die optische Übertragungseinrichtung 200 einzeln oder die optische Übertragungseinrichtung 200 zusammen mit mindestens einem Sensorelement 301, 302, 303 als eine optische Faser, vorzugsweise eine optische Glasfaser, ausgebildet. Ferner ist es möglich, die optische Übertragungseinrichtung mit oder ohne Sensorelement als einen Polymer-Lichtwellenleiter bereitzustellen.
Das mindestens eine Sensorelement 301, 302, 303, das die Sensoreinrichtung 300 ausbildet, ist mindestens eines aus der Gruppe eines Faser-Bragg-Gitters, eines Fabry-Perot-Interferometers und eines Dünnschicht-Interferometers. Derartige optische Messvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt, so dass hier, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden, auf derartige optische Sensorelemente nicht näher eingegangen wird. Ferner ist es möglich, die optische Übertragungseinrichtung 200, wie erwähnt, integral mit mindestens einem optischen Sensorelement 301, 302, 303 auszubilden.
Somit ist der Lichtwellenleiter, der die optische Übertragungseinrichtung 200 bildet, gleichzeitig Träger des mindestens einen Sensorelements 301, 302, 303, wie es in 2 gezeigt ist, und Übertragungseinrichtung.
Ist nun mehr als ein Sensorelement 301, 302, 303 in den optischen Wellenleiter 200 integriert, lassen sich die an den mindestens zwei optischen Sensorelementen 301, 302, 303 reflektierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche 706 (siehe 3) voneinander unterscheiden.
Ferner ist es möglich, obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, dass Strahlung durch die Sensorelemente 301, 302, 303 transmittiert wird, wobei dann die durch die Sensorelemente 301, 302, 303 transmittierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche 706 (siehe 3) der mindestens zwei optischen Sensorelemente 301, 302, 303 voneinander unterscheidbar sind.
2 zeigt einen Abschnitt eines optischen Wellenleiters 304, welcher ein als ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildetes Sensorelement 301 einschließt. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der optische Wellenleiter 304 der optischen Übertragungseinrichtung 200 entsprechen kann, d. h. dass es möglich ist, das Sensorelement 301 integral mit der optischen Übertragungseinrichtung 200 (siehe 1) auszubilden. Wie durch einen Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 409 angezeigt, wirkt eine mechanische Spannung beispielsweise in der Richtung einer optischen Achse 505 des optischen Wellenleiters 304.
Auf diese Weise wird das als Faser-Bragg-Gitter ausgebildete Sensorelement 301 in Richtung der optischer. Achse 505 gedehnt bzw. gestaucht. Ferner ist es möglich, eine Lichtausbreitung innerhalb des Bereichs des optischen Sensorelements 301 durch Kräfte, Momente und mechanische Spannungen zu beeinflussen, die in Richtungen unterschiedlich zur optischen Achse 505 des Lichtwellenleiters 304 wirken. Da eine Anlegung derartiger mechanischer Spannungen, die nicht in der optischen Achse 505 des Lichtwellenleiters 304 wirken, für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht relevant sind, wird auf eine Beschreibung dieser Effekte hier nicht eingegangen.
Das optische Sensorelement 301 kann in den optischen Lichtwellenleiter 304 beispielsweise mittels Laserstrahlung im Ultraviolett-Spektralbereich eingeschrieben werden. Eine derartige Einprägung eines Faser-Bragg-Gitters kann durch eine durch UV-Strahlung hervorgerufene Brechungsindex-Änderung im Bereich des Sensorelements bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck wird ein in 2 nicht gezeigter UV-Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, welche unter einem vorgebbaren Winkel im Sensorort-Volumen gekreuzt werden. Ein resultierendes Interferenzmuster, das durch die gekreuzten UV-Laserstrahlen hervorgerufen wird, entspricht dann ungefähr dem in 2 gezeigten modulierten Brechungsindex-Verlauf im Bereich des Sensorelements 301.
Wie in 2 gezeigt, wird eine einfallende Lichtwelle 501 von links in den optischen Wellenleiter 304 eingekoppelt, wobei sich die einfallende Lichtwelle 501 in dem optischen Wellenleiter 304 ausbreitet und auch den Bereich des optischen Sensorelements 301 erreicht. In einem durch die Modulationsperiode des Faser-Bragg-Gitters des Sensorelements 301 vorgegebenen Wellenlängenbereich kann nunmehr eine reflektierte Lichtwelle 502 hervorgerufen werden, welche zur Einkoppelstelle der einfallenden Lichtwelle 501 rückreflektiert wird.
Ferner ist es möglich, dass eine transmittierte Lichtwelle 503 durch das Faser-Bragg-Gitter des Sensorelements 301 hindurchgestrahlt wird. Die Intensität der reflektierten Lichtwelle 502 als Funktion der Wellenlänge, d. h. der Verlauf einer Filterfunktion 700 des optischen Sensorelements 301, wird unten stehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
In dem Bereich des Sensorelements 301, in welchem ein optischer Interferenz-Effekt innerhalb des optischen Wellenleiters 304 entsteht, ist typischerweise die Periode des Brechungsindex des Faserkerns moduliert. Eine derartige Modulationsperiode kann durch die mechanische Spannung 409 entlang der optischen Achse 505 verändert werden, d. h. eine derartige Modulationsperiode wird bei einer mechanischen Stauchung der optischen Faser verkürzt und wird entsprechend bei einer mechanischen Dehnung des optischen Wellenleiters 304 vergrößert.
Ferner kann durch die Beaufschlagung des Sensorelements 301 in der optischen Faser 304 mit einer mechanischen Spannung 409 der Brechungsindex im Bereich des Faser-Bragg-Gitters verändert werden, was ebenfalls eine Änderung der Modulationsperiode zur Folge hat. Eine Dehnung des optischen Wellenleiters 304 hat somit auch eine Dehnung des Faser-Bragg-Gitters zur Folge. Eine Wellenlänge der reflektierten Lichtwelle 502 ändert sich somit ebenfalls in Abhängigkeit eines Gitterabstands des Faser-Bragg-Gitters.
Wie anhand der Sensoreinrichtung 300 der 1 veranschaulicht, kann ein optischer Wellenleiter mehrere in Reihe angeordnete Sensorelemente aufweisen. Wenn mehrere Faser-Bragg-Gitter in einen optischen Wellenleiter integriert sind, wird vorzugsweise eine Modulationsperiode der einzelnen Gitter unterschiedlich ausgelegt.
Auf diese Weise lassen sich bestimmte Spektralbereiche entsprechender Gitter und somit entsprechende Positionen innerhalb des optischen Wellenleiters einem Sensorort eines individuellen Sensorelements 301, 302, 303 zuordnen. Derartige Sensorelemente 301, 302, 303 (1) sind also spektral codiert, so dass in den einzelnen Sensorelementen 301, 302, 303 reflektierte Lichtwellen 502 unterschiedliche spektrale Verteilungen aufweisen, derart, dass sich die einzelnen von den einzelnen Sensorelementen 301, 302, 303 herrührenden Sensorsignale spektral unterscheiden lassen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass, obgleich in der vorliegenden Beschreibung von Lichtwellen bzw. optischen Wellen die Rede ist, der Spektralbereich derartiger optischer Strahlung neben dem optisch sichtbaren Bereich auch den nahen und fernen Infrarotbereich sowie den nahen und fernen Ultraviolettbereich umfassen kann.
Die mindestens eine optische Sekundärstrahlung kann sowohl einem Teil der an dem optischen Sensorelement reflektierten optischen Primärstrahlung als auch einem Teil der durch das optische Sensorelement transmittierten optischen Primärstrahlung entsprechen. D. h., die transmittierte Lichtwelle 503 und die reflektierte Lichtwelle 502 können sowohl von der einfallenden Lichtwelle 501 als auch von der Beaufschlagung durch die mechanische Spannung 409 in ihrer Intensität und ihrem Wellenlängen-Ansprechbereich 706 (3) variiert werden.
Wenn mindestens zwei optische Sensorelemente 301, 302, 303 seriell mittels der über die optische Übertragungseinrichtung 200 übertragenen optischen Primärstrahlung 407 (1) angesprochen werden, können die an den mindestens zwei optischen Sensorelementen 301, 302, 303 reflektierten optischen Primärstrahlungen 407 mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche 706 der mindestens zwei optischen Sensorelemente 301, 302, 303 voneinander unterschieden werden.
Ebenso können die durch die mindestens zwei optischen Sensorelemente 301, 302, 303 transmittierten optischen Primärstrahlungen 407 mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche 706 der mindestens zwei optischen Sensorelemente 301, 302, 303 voneinander unterschieden werden.
3 zeigt eine Filterfunktion 700 eines als Faser-Bragg-Gitter ausgebildeten Sensorelements 301, 302, 303 (siehe 1). Die Filterfunktion beschreibt in typischer Weise eine Reflexionsintensität 702 von an dem Faser-Bragg-Gitter reflektierter optischer Strahlung als Funktion der Wellenlänge 701 (λ).
Wie in 3 gezeigt, weist die Filterfunktion 700 des Faser-Bragg-Gitters eine um eine Mittenwellenlänge 703 symmetrische Form auf, in dem in 3 gezeigten Fall ein so genanntes Gauß-Profil. Ein derartiges Gauß-Profil besitzt eine Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum), welche mit dem Bezugszeichen 704 bezeichnet ist.
Einzelne Abtastpunkte 705 sind entlang der Filterfunktion 700 durch vertikale Linien an unterschiedlichen Wellenlängen-Positionen gekennzeichnet. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die in 3 gezeigte Filterfunktion 700 dem Verlauf einer Intensität entspricht, die eine an dem Faser-Bragg-Gitter reflektierte optische Primärstrahlung aufweist. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine optische Gitteranordnung, die dem Faser-Bragg-Gitter entspricht, eine gaußförmige Filterfunktion 700 aufweist.
Während die Halbwertsbreite 704 der Filterfunktion 700 u. a. von der Anzahl der Durchbrechungsindex-Schwankungen entlang der von der optischen Faser 304 hervorgerufenen Reflexionszonen abhängt, ist die Zentralwellenlänge bzw. die Mittenwellenlänge 703 eines Faser-Bragg-Gitters durch die oben erwähnte Modulationsperiode Λ gegeben. Eine so genannte Bragg-Wellenlänge λ_B ergibt sich durch die folgende Beziehung: λB = 2·nk·Λ
Hierbei ist n_k die effektive Brechzahl des Grundmodus des Kerns der Lichtfaser und Λ die (räumliche) Gitterperiode (Modulationsperiode) des Faser-Bragg-Gitters. Die spektrale Breite, die durch die Halbwertsbreite 704 der Filterfunktion gegeben ist, hängt von der Ausdehnung des Faser-Bragg-Gitters in Richtung der optischen Achse und der Größe der Brechzahländerung ab. Optische Primärstrahlung, deren Wellenlänge innerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs 706 liegt, wird reflektiert, derart, dass sich der in 3 gezeigte Intensitätsverlauf 702 über der Wellenlänge 701 ergibt.
Ferner zeigt 3 zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Messverfahrens eine Laserlinie 308, welche im Vergleich zu der Halbwertsbreite 704 der Filterfunktion 700 eine vernachlässigbare Halbwertsbreite aufweist, d. h. die Laserlinie, die beispielsweise durch eine wie in 5 gezeigte Lichtquelle erzeugt wird, ist spektral äußerst schmalbandig im Vergleich zu der Halbwertsbreite des Faser-Bragg-Gitters.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird nunmehr die in den optischen Wellenleiter 304 eingestrahlte und zu dem Sensorelement 301 (2) geleitete optische Primärstrahlung während des Einstrahlens über den Wellenlängen-Ansprechbereich 706 der Filterfunktion 700 geschoben, d. h. die Wellenlänge der Laserstrahlung wird mindestens über den durch das Bezugszeichen 706 gekennzeichneten Wellenlängenbereich abgetastet (gescannt).
Einzelne Abtastpunkte 705, die der optische Detektor 102 der Interrogatoreinrichtung 105 (1) entsprechend seiner Abtastrate abtastet, sind ebenfalls in 3 durch Kreise entlang der gaußförmigen Filterfunktion 700 gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 3 dargestellten Intensitäten bei einer Reflexion an dem Faser-Bragg-Gitter auftreten, d. h. es wird die reflektierte Lichtwelle 502 als Teil der einfallenden Lichtwelle (Laserlichtwelle) 501 detektiert, wie in 2 veranschaulicht. D. h., nur innerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs 706 kann eine Reflexionsintensität entsprechend der gezeigten Filterfunktion 700 am Eingang des optischen Wellenleiters 304 erhalten werden.
In bestimmten Anwendungsfällen wird, obwohl dies in den Figuren der vorliegenden Beschreibung nicht gezeigt ist, auch eine durch eine Faser-Bragg-Gitter transmittierte Intensität detektierbar. In diesem Fall würde bei einem Abtasten der Filterfunktion 700 mittels der Laserlinie 708 in einer in 3 gezeigten Abtastrichtung 707 nur außerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs 706 transmittiert, während die transmittierte Intensität in der Nähe der Mittenwellenlänge 703 einen minimalen Wert aufweisen würde, d. h. die in 3 gezeigte Funktion wäre invertiert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Abtastung der Filterfunktion 700 durch die Laserlinie 708 unter Verwendung einer wie in 5 gezeigten Lichtquelle mit derart hoher Geschwindigkeit, dass in vorteilhafter Weise thermische Effekte vernachlässigt werden können. Auf diese Weise werden Störungen bei der Messung mechanischer Spannungen unterdrückt. Obwohl in 3 lediglich eine Filterfunktion 700 eines einzigen Sensorelements 301 gezeigt ist, können in dem optischen Wellenleiter 304 (2) mehrere Sensorelemente 301, 302, 303 (1) hintereinander angeordnet sein.
Vorzugsweise weisen die einzelnen, hintereinander angeordneten Sensorelemente 301, 302, 303 jeweilige Filterfunktionen 700 auf, deren Mittenwellenlängen 703 sich unterscheiden. Auf diese Weise ist eine spektrale Unterscheidung der einzelnen, von den einzelnen Sensorelementen 301, 302, 303 rückreflektierten optischen Primärstrahlungen möglich. Ein Abstimmen der Wellenlänge der optischen Primärstrahlung über die Halbwertsbreite der Filterfunktion 700, beispielsweise in der durch ein Bezugszeichen 707 in der in 3 angezeigten Richtung, erfolgt dabei vorzugsweise in einer sehr kurzen Zeitdauer in einem Bereich von einigen zehn Nanosekunden (ns) bis etwa 150 ns, vorzugsweise in einer Zeitdauer von etwa 100 ns.
Eine Abstimmung der Laserlinie 708 erfolgt dabei in einer Abstimmrichtung 707 über den Wellenlängen-Abstimmbereich, welcher größer sein kann als die Halbwertsbreite 704 der Filterfunktion 700. Ferner ist es möglich, die in Reflexion oder Transmission erhaltene optische Sekundärstrahlung selbst in der Wellenlänge aufzulösen. Eine derartige Wellenlängenauflösung der optischen Sekundärstrahlung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Halbwertsbreite der einstrahlenden Laserlinie nicht klein im Vergleich zu der Halbwertsbreite 704 der Filterfunktion 700 ist.
Vorzugsweise werden die an mindestens zwei optischen Sensorelementen 301, 302, 303 reflektierten optischen Primärstrahlungen mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche 706 der mindestens zwei optischen Sensorelemente 301, 302, 303 spektral voneinander unterscheidbar. Die gleichen Unterscheidungsmöglichkeiten gelten für einen Betrieb des als Faser-Bragg-Gitter ausgebildeten Sensorelements bzw. der Vielzahl von Sensorelementen in Transmission.
Wenn mindestens zwei optische Sensorelemente 301, 302, 303 in Transmission betrieben werden, weisen die durch die mindestens zwei optischen Sensorelemente 301, 302, 303 transmittierten optischen Primärstrahlungen durch unterschiedliche Wellenlängen-Ansprechbereiche 706 der entsprechenden Filterfunktionen 700 ein unterschiedliches spektrales Verhalten auf, wodurch die optischen Sekundärstrahlungen voneinander unterscheidbar sind.
4 ist ein Blockbild zur Veranschaulichung einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die beispielsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 101 sendet eine optische Primärstrahlung 407 über eine optische Übertragungseinrichtung 200 zu einer Kopplereinheit 201. Die Kopplereinheit 201 kann als ein 3-dB-Koppler ausgelegt sein, d. h. eine Lichtintensität, die an einem Eingang des Kopplerelements eingestrahlt wird, teilt sich im Verhältnis 50:50 auf gegenüberliegende Ausgänge der Kopplereinheit 201 auf.
Somit ist es möglich, über eine einzige Übertragungseinrichtung 200, welche eine integral angeordnete Kopplereinheit 201 aufweist, sowohl die optische Primärstrahlung 407 zu dem mindestens einen Sensorelement 301 zu führen als auch von dem Sensorelement 301 ausgehende optische Sekundärstrahlung zu dem optischen Detektor 102 zu leiten, welcher ebenfalls an einem Ausgang der Kopplereinheit 201 angeschlossen ist.
Die Kopplereinheit 201 ist über eine weitere optische Übertragungseinrichtung 200 mit dem optischen Detektor 102 verbunden, derart, dass ein Messsignal 406 als Funktion der optischen Primärstrahlung 407 und einer auf das Sensorelement 301 aufgebrachten mechanischen Spannung 409 erhalten wird. Da die erfindungsgemäße Messvorrichtung darauf beruht, die Wellenlänge der (Laser-)Lichtquelle 101 zu variieren, kann eine einfache Empfangs-Photodiode als optischer Detektor 102 dienen.
5 veranschaulicht schematisch eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 600 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Laserlichtquelle 600 weist ein Laserlichtaustrittsfenster 605 auf, durch welche emittiertes Laserlicht 607 austritt und als optische Primärstrahlung 407 zur Messung herangezogen werden kann (4). Die Laserlichtquelle 600 schließt ferner einen Laserkoppler 604 auf, welcher den internen Laserstrahl (Intra-Cavity) zu einem ersten Laserreflektor 601 und einem zweiten Laserreflektor 602 leitet.
Beide Laserreflektoren weisen jeweils Reflektor-Steuerelemente auf, d. h. der erste Laserreflektor 601 wird durch ein erstes Reflektor-Steuerelement 608 gesteuert, während der zweite Laserreflektor 602 durch ein zweites Reflektor-Steuerelement 609 gesteuert wird. Die Reflektor-Steuerelemente 608, 609 werden durch entsprechende Steuerströme 403, 404, d. h. einen ersten Wellenlängen-Steuerstrom 403 und einen zweiten Wellenlängen-Steuerstrom 404 gesteuert. Die ersten und zweiten Wellenlängen-Steuerströme 403, 404 werden durch eine unten stehende, unter Bezugnahme auf 7 erläuterte Stromsteuereinheit bereitgestellt.
Ein in den entsprechenden Laserreflektoren 601, 602 vorherrschender, dem Fachmann bekannter elektrooptischer Effekt sorgt dafür, dass sich ein Brechungsindex in den ersten und zweiten Laserreflektoren 601, 602 in Abhängigkeit von dem zugeführten Wellenlängen-Steuerstrom 403 bzw. 404 ändert. Eine derartige Änderung des Brechungsindex innerhalb eines Laser-Resonators führt dazu, dass eine Emissionswellenlänge des emittierten Laserlichts 607 variiert wird.
Ein wie in 5 gezeigter, monolithisch aufgebauter Laser ermöglicht eine sehr rasche Verstimmung der Wellenlänge des emittierten Laserlichts über beispielsweise einen unter Bezugnahme auf 3 gezeigten Wellenlängen-Ansprechbereich 706, so dass thermische Effekte, die ebenfalls zu einer Wellenlängen-Variation des emittierten Laserlichts 607 führen können, keine Rolle spielen. Durch Verwendung der in 5 gezeigten Laserlichtquelle 600 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es somit möglich, optische Primärstrahlung mit einer hohen Wellenlängenstabilität und einer schnellen Wellenlängen-Variationsmöglichkeit bereitzustellen.
6 zeigt ein Blockbild einer optischen Messvorrichtung 100, wobei zusätzlich zu den in 4 gezeigten Blockbildkomponenten der Interrogatoreinrichtung 105 (1) eine Treibereinrichtung 106, eine Signalverarbeitungseinrichtung 107 und eine Datenverarbeitungseinheit 108 dargestellt sind.
Die optische Lichtquelle (Laserlichtquelle) 101 wird durch vorbestimmte Lichtquellen-Betriebsparameter 401 eingestellt. Derartige Lichtquellen bzw. Betriebsparameter umfassen die Einstellung eines Betriebsstroms, einer Betriebstemperatur, etc. Die Treibereinrichtung 106, welche die Lichtquellen-Betriebsparameter 401 bereitstellt, wird von der Steuereinrichtung 103 angesteuert.
Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert, ist die Steuereinrichtung 103 mit der Eingabe-Ausgabeeinheit 104 der Interrogatoreinrichtung 105 verbunden. Die Eingabe-Ausgabeeinheit 104 kann beispielsweise, wie in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, mit einer Datenverarbeitungseinheit 108 bzw. einem PC verbunden sein, in welchem eine Datenverarbeitung durchgeführt werden kann.
Der optische Detektor 102, welcher über die optische Übertragungseinrichtung 200 das Messsignal 406 empfängt und in ein elektrisches Ausgangssignal umsetzt, ist mit der Signalverarbeitungseinrichtung 107 verbunden, welche entsprechend einer Abtastung der Laserlinie über die Filterfunktion 700 (siehe oben) ein entsprechendes Intensitätssignal ausgibt.
Dieses Intensitätssignal wird zu der Steuereinrichtung 103 und über die Eingabe-Ausgabeeinheit 109 zu der Datenverarbeitungseinheit 108 weitergeleitet. Die optische Kopplereinheit 201 ist optisch an die Übertragungseinrichtungen 200 gekoppelt und derart ausgelegt, eine von dem Sensorelement 301 reflektierte Sekundärstrahlung zu empfangen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Signalverarbeitungseinrichtung 107 als eine Abtasteinheit ausgelegt werden kann, welche Intensitätswerte synchron zu der Variation einer Emissionswellenlänge der Laserlichtquelle 101 bestimmt.
7 veranschaulicht ein Blockbild von Komponenten, die geeignet sind zur Ansteuerung der Laserlichtquelle 101. Die Laserlichtquelle 101 erhält gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Signal, welches allgemeine Lichtquellen-Betriebsparameter 401 repräsentiert, sowie ein weiteres Signal, welches einen Wellenlängen-Steuerstrom 402 bereitstellt.
Die Lichtquellen-Betriebsparameter 401 werden, wie bereits oben stehend unter Bezugnahme auf die 1 und 6 erwähnt, von der Treibereinrichtung 106 bereitgestellt. Die Treibereinrichtung 106 erhält ein Treibersteuersignal von einer in der Steuereinrichtung 103 enthaltenen Treibersteuereinheit 112. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung 103 nun derart ausgelegt, dass neben der Treibersteuereinheit 112 eine Stromsteuereinheit 111 bereitgestellt ist, welche in der Lage ist, einen Wellenlängen-Steuerstrom 402 bereitzustellen, und welche ferner in der Lage ist, diesen Wellenlängen-Steuerstrom 402 in kurzer Zeit zu variieren. In Abhängigkeit von einer Variation des Wellenlängen-Steuerstroms 402 wird eine Emissionswellenlänge des emittierten Laserlichts 607 im Nanosekundenbereich variierbar. Durch die in 7 gezeigte Anordnung ist es möglich, die Laserlinie 708, wie in 3 gezeigt, über den Wellenlängen-Ansprechbereich 706 des Faser-Bragg-Gitters bzw. der Filterfunktion 700 zu scannen.
Insbesondere ist die in 5 gezeigte Laserlichtquelle (monolithisch verstimmbare Laserdiode) 600 dazu geeignet, eine schnelle Verstimmung der Emissionswellenlänge des emittierten Laserlichts 607 bereitzustellen. Durch eine geeignete Stromsteuerung ist es somit möglich, die Emissionswellenlänge der Laserlichtquelle (d. h. des monolithisch verstimmbaren Lasers bzw. der monolithisch verstimmbaren Laserdiode) schnell zu verändern (d. h. in einem Bereich von einige zehn Nanosekunden), um damit in kurzer Zeit das Reflexions- bzw. Transmissionsspektrum eines als Faser-Bragg-Gitter ausgelegten Sensorelements abzufragen. Ein derartiges Interrogator- bzw. Abfrageverfahren weist dabei den Vorteil auf, dass bei einem Durchstimmen einer derartigen Laserdiode eventuell auftretende thermische Einflüsse vernachlässigbar sind.
Der monolithisch verstimmbare Laser kann einen Satz von diskreten Wellenlängen emittieren, wenn ein vorher festgelegter Satz von Wellenlängen-Steuerströmen 402 bereitgestellt wird. Die Abhängigkeit der Laser-Emissionswellenlänge von dem Satz von Wellenlängen-Steuerströmen kann in einer Messung vorab festgelegt und bestimmt werden. Um einen vorgegebenen spektralen Bereich bzw. einen Wellenlängen-Ansprechbereich des optischen Sensorelements 301, 302, 303 abzufragen, werden eine Vielzahl von bekannten, diskreten Wellenlängen durch die Laserlichtquelle 101 erzeugt.
Um eine schnelle Abfolge der diskreten Wellenlängen bzw. eine schnelle Wellenlängenvariation zu erreichen, werden ausreichend schnelle Digital/Analog-Wandlereinrichtungen in der in 6 gezeigten Signalverarbeitungseinrichtung 107 bereitgestellt. Vorzugsweise ist die Zeitdauer, in welcher ein Satz von Wellenlängen-Steuerströmen 402 an der Laserlichtquelle 101 anliegt, äußerst kurz. Dadurch wird die Temperatur der Laserlichtquelle und damit andere Parameter, wie Emissionswellenlänge und/oder Emissionsintensität des emittierten Laserlichts 607, nicht verändert, derart, dass sich ein konstanter Intensitätswert bei einer konstanten Wellenlänge ergibt.
8 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der in 6 gezeigten optischen Messvorrichtung weist die in 8 gezeigte optische Messvorrichtung 100 einen Referenzdetektor 109 auf. Der Referenzdetektor 109 ist über eine weitere optische Übertragungseinrichtung 200 mit einem verbliebenen, vierten Anschluss der optischen Kopplereinheit 201 verbunden.
Die optische Kopplereinheit 201 gibt an ihrem vierten Anschluss ein optisches Ausgangssignal, das einer Intensität der optischen Primärstrahlung 407 entspricht, d. h. ein Referenzsignal 405. Das Referenzsignal 405 wird durch eine in dem Referenzdetektor 109 bereitgestellte Photodiode in ein elektrisches Signal konvertiert, welches einer Referenzsignal-Verarbeitungseinrichtung 110 zugeführt wird, die betriebsmäßig mit dem Referenzdetektor 109 verbunden ist.
Eine derartige Referenzsignal-Erfassungseinrichtung, wie sie in 8 gezeigt ist, weist den Vorteil auf, dass eventuelle Schwankungen einer Emissionsintensität der Laserlichtquelle 101 eliminiert oder zumindest reduziert werden können, indem diese Schwankungen separat und unabhängig der von dem optischen Sensorelement 301 emittierten optischen Sekundärstrahlung 408 als Referenzsignal 405 detektierbar sind. Das Ausgangssignal der Referenzsignal- Verarbeitungseinrichtung 110, welche ähnlich ausgelegt sein kann wie die Signalverarbeitungseinrichtung 107, wird der Steuereinrichtung 103 zugeführt. Die übrigen, in 8 gezeigten Komponenten entsprechen denjenigen, die bereits unter Bezugnahme auf 6 gezeigt und beschrieben wurden. Diese Komponenten werden, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden, hierin unter Bezugnahme auf 8 nicht erneut erläutert.
9 ist ein Blockbild einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 dargestellt, ist eine Sensoreinrichtung 300 über eine optische Übertragungseinrichtung 200 mit einer Interrogatoreinrichtung 105 verbunden. Die Interrogatoreinrichtung 105 schließt zahlreiche Komponenten ein, die hierin unter Bezugnahme auf 1, 6 und 9 beschrieben wurden und unter Bezugnahme auf 9, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden, nicht erneut erläutert werden.
Insbesondere weist die Interrogatoreinrichtung 105, die in 9 dargestellt ist, eine Laufzeit-Erfassungseinrichtung 113 auf, die bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Die Laufzeit-Erfassungseinrichtung 113 erfasst eine Laufzeit einer oder mehrerer Lichtwellen zwischen der Interrogatoreinrichtung 105 und einem Sensorelement 301, 302, 303 der Sensoreinrichtung 300.
Wie in 9 gezeigt, sind n Sensorelemente 301, 302, ..., 303 integral mit der optischen Übertragungseinrichtung 200 (optischer Wellenleiter) ausgebildet und seriell entlang der optischen Übertragungseinrichtung 200 angeordnet. Die individuellen Sensorelemente 301, 302, ..., 303 weisen unterschiedliche geometrische Abstände zu der Interrogatoreinrichtung 105 auf, d. h. ein erstes Sensorelement 301 weist einen Abstand d1 auf, ein zweites Sensorelement 302 weist einen Abstand d2 auf und ein n-tes Sensorelement 303 weist einen Abstand d3 auf. Die unterschiedlichen Abstände d1, d2, ..., d3 führen zu unterschiedlichen Laufzeiten des optischen Signals zwischen der Interrogatoreinrichtung 105 und dem jeweiliger. Sensorelement 301, 302, ..., 303.
Über eine derartige Laufzeit-Erfassungseinrichtung 113 ist eine Bestimmung eines Sensororts des mindestens einen optischen Sensorelements entlang der optischen Übertragungseinrichtung 200 möglich. Somit sind die aus den mindestens zwei optischen Sensorelementen emittierten optischen Sekundärstrahlungen mittels unterschiedlicher Laufzeiten zwischen jeweiligem optischen Sensorelement und zugehöriger Sende-/Empfangseinheit voneinander unterscheidbar.
10 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines optischen Messverfahrens zum Messen einer mechanischen Spannung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 10 dargestellte Flussdiagramm umfasst im Wesentlichen sechs Schritte S1 bis S6.
Die Prozedur startet bei einem Schritt S1 und schreitet fort zu einem Schritt S2, bei dem ein optischer Wellenleiter bereitgestellt wird, der mindestens ein optisches Sensorelement aufweist. Das optische Sensorelement weist einen vorbestimmten und spezifizierbaren Wellenlängen-Abstimmbereich auf.
In einem nachfolgenden Schritt S3 wird eine optische Primärstrahlung in den optischen Wellenleiter eingestrahlt. Die optische Primärstrahlung erreicht das Sensorelement 301 über den optischen Wellenleiter 304, 200. In einem anschließenden Schritt S4 wird das mindestens eine optische Sensorelement 301, 302, 303 mit einer mechanischen Spannung 409 beaufschlagt.
Schließlich wird, in einem nachfolgenden Schritt S5, mindestens eine optische Sekundärstrahlung aus dem optischen Wellenleiter erfasst. Diese Sekundärstrahlung hängt im Wesentlichen ab von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung und der mechanischen Spannung, die auf das Sensorelement 301, 302, 303 in dem obigen Schritt S4 aufgebracht worden ist.
Die optische Primärstrahlung wird hierbei während des Einstrahlens mindestens innerhalb des Wellenlängen-Ansprechbereichs in der Wellenlänge variiert. Anschließend wird die Prozedur in einem Schritt S6 beendet.
Die Verwendung eines Lasers als eine Lichtquelle 101 weist insbesondere den Vorteil auf, dass Laserstrahlung eine hohe spektrale Leistungsdichte aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, die Filterfunktion 700 des Faser-Bragg-Gitters eines oder mehrerer Sensorelemente 301, 302, 303 mit hoher Genauigkeit abzutasten.
Durch das extrem schnelle Scannen der optischen Primärstrahlung während des Einstrahlens über den Wellenlängen-Ansprechbereich des mindestens einen Sensorelements ergibt sich der Vorteil, dass ein sehr schnell messendes optisches Messsystem realisiert werden kann.
Die Verwendung einer monolithisch durchstimmbaren Laserdiode als Lichtquelle 101 in der beschriebenen optischen Messvorrichtung 100 gewährleistet eine Messung ohne den Einfluss störender Vibrationen, thermischer Variationen, Schwankungen in den Betriebsparametern, etc..
Ferner kann ein äußerst kostengünstiges optisches Messsystem realisiert werden, da zur Detektion der aus dem mindestens einen Sensorelement 301, 302, 303 emittierten optischen Sekundärstrahlung lediglich eine schnelle Photodiode erforderlich ist, wobei auf eine spektroskopische Auswertung mittels Spektrometeranordnung verzichtet werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

100: optische Messvorrichtung
101: Sendeeinheit/Lichtquelle
102: Empfangseinheit/Detektor
103: Steuereinrichtung
104: Eingabe-Ausgabeeinheit
105: Interrogatoreinrichtung
106: Treibereinrichtung
107: Signalverarbeitungseinrichtung
108: Datenverarbeitungseinheit/PC
109: Referenzdetektor
110: Referenzsignal-Verarbeitungseinrichtung
111: Stromsteuereinheit
112: Treibersteuereinheit
113: Laufzeit-Erfassungseinrichtung
200: Übertragungseinrichtung
201: Kopplereinheit
300: Sensoreinrichtung
301: (erstes) Sensorelement
302: zweites Sensorelement
303: n-tes Sensorelement
304: optischer Wellenleiter
401: Lichtquellen-Betriebsparameter
402: Wellenlängen-Steuerstrom
403: erster Wellenlängen-Steuerstrom
404: zweiter Wellenlängen-Steuerstrom
405: Referenzsignal
406: Messsignal
407: optische Primärstrahlung
408: optische Sekundärstrahlung
409: mechanische Spannung
410: Steuerbefehl
501: einfallende Lichtwelle
502: reflektierte Lichtwelle
503: transmittierte Lichtwelle
505: optische Achse
600: Laserlichtquelle
601: erster Laserreflektor
602: zweiter Laserreflektor
603: aktives Lasermedium
604: Laserkoppler
605: Laserlichtaustrittsfenster
606: Lasergehäuse
607: emittiertes Laserlicht
608: erstes Reflektor-Steuerelement
609: zweites Reflektor-Steuerelement
700: Filterfunktion
701: Wellenlänge
702: Reflexionsintensität
703: Mittenwellenlänge
704: Halbwertsbreite (FWHM)
705: Abtastpunkt
706: Wellenlängen-Ansprechbereich
707: Abtastrichtung
708: Laserlinie

Claims

Messvorrichtung (100) zur Erfassung mindestens einer mechanischen Spannung (409), umfassend: eine Lichtquelle (101), ausgelegt zum Aussenden einer in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung (407); mindestens ein Sensorelement (301, 302, 303), das mit der mechanischen Spannung (409) beaufschlagbar ist; eine optische Übertragungseinrichtung (200), ausgelegt zur Übertragung der von der Lichtquelle (101) ausgesandten, in der Wellenlänge variablen optischen Primärstrahlung (407) zu dem Sensorelement (301, 302, 303); einen optischen Detektor (102), ausgelegt zur Erfassung mindestens einer optischen Sekundärstrahlung (408) aus dem Sensorelement (301, 302, 303) in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung (407) und der mechanischen Spannung (409); und eine betriebsmäßig mit dem optischen Detektor (102) verbundene Signalverarbeitungseinrichtung (107) zur Bestimmung der mechanischen Spannung (409).
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der optische Detektor (102) über eine optische Kopplereinheit (201) optisch an die Übertragungseinrichtung (200) gekoppelt ist und ausgelegt ist, eine von dem Sensorelement (301, 302, 303) reflektierte Sekundärstrahlung (408) zu empfangen.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (101) einen in der Wellenlänge verstimmbaren Laser umfasst.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei der in der Wellenlänge verstimmbare Laser als eine monolithisch verstimmbare Laserdiode ausgelegt ist, welche mindestens ein Reflektor-Steuerelement (608, 609) zur Variation der Wellenlänge in Abhängigkeit eines Steuerstroms (402, 403) aufweist.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 3 oder 4, ferner umfassend eine Stromsteuereinheit zur Bereitstellung des Steuerstroms (402, 403).
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (301, 302, 303) mindestens eines aus der Gruppe eines Faser-Bragg-Gitters, eines Fabry-Perot-Interferometers, und eines Dünnschichtinterferometers umfasst.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die optische Übertragungseinrichtung (200) als ein Lichtwellenleiter (304) bereitgestellt ist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei optische Übertragungseinrichtung (200) integral mit dem Sensorelement (301, 302, 303) ausgebildet ist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Referenzdetektor (102), welcher ausgelegt ist zur Erfassung eines von einer Strahlungsintensität der optischen Primärstrahlung (407) abhängigen Referenzsignals (405); und eine Referenzsignal-Verarbeitungseinrichtung (110), welche ausgelegt ist zur Verarbeitung des Referenzsignals (405).
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Sensoreinrichtung (300), welche mindestens zwei Sensorelemente (301, 302, 303) aufweist, wobei die Sensorelemente (301, 302, 303) voneinander verschiedene Wellenlängen-Ansprechbereiche aufweisen.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Laufzeit-Erfassungseinrichtung zur Bestimmung eines Sensororts des mindestens eines optischen Sensorelements entlang der optischen Übertragungseinrichtung (200).
Messverfahren zum Messen einer mechanischen Spannung (409), mit den Schritten: Bereitstellen eines optischen Wellenleiters (304) mit mindestens einem optischen Sensorelement (301, 302, 303), das einen Wellenlängen-Ansprechbereich aufweist; Einstrahlen einer optischen Primärstrahlung (407) in den optischen Wellenleiter (304); Beaufschlagen des optischen Sensorelements mit der mechanischen Spannung (409); und Erfassen mindestens einer optischen Sekundärstrahlung (408) aus dem optischen Wellenleiter (304) in Abhängigkeit von der eingestrahlten optischen Primärstrahlung (407) und der mechanischen Spannung (409), wobei die optische Primärstrahlung (407) während des Einstrahlens über den Wellenlängen-Ansprechbereich des Sensorelements in der Wellenlänge variiert wird.
Messverfahren nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine optische Sekundärstrahlung (408) einem Teil der an dem optischen Sensorelement (301, 302, 303) reflektierten optischen Primärstrahlung (407) entspricht.
Messverfahren nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine optische Sekundärstrahlung (408) einem Teil der durch das optische Sensorelement (301, 302, 303) transmittierten optischen Primärstrahlung (407) entspricht.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die optische Sekundärstrahlung (408) in der Wellenlänge aufgelöst wird.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die optische Primärstrahlung (407) über einen Wellenlängen-Abstimmbereich abgestimmt wird, der größer ist als eine Habwertsbreite einer Filterfunktion des mindestens einen optischen Sensorelements.
Messverfahren nach Anspruch 16, wobei das Abstimmen der Wellenlänge der optischen Primärstrahlung (407) über die Halbwertsbreite der Filterfunktion des mindestens einen optischen Sensorelements in einer Zeitdauer in einem Bereich von 10 ns bis 150 ns, vorzugsweise in etwa 100 ns durchgeführt wird.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das optische Sensorelement (301, 302, 303) mittels UV-Laserstrahlung in die optische Übertragungseinrichtung (200) eingeprägt wird.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei mindestens zwei optischen Sensorelemente (301, 302, 303) seriell mittels der über eine optische Übertragungseinrichtung (200) übertragenen optischen Primärstrahlung (407) angesprochen werden.
Messverfahren nach Anspruch 19, wobei die an den mindestens zwei optischen Sensorelementen (301, 302, 303) reflektierten optischen Primärstrahlungen (407) mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche der mindestens zwei optischen Sensorelemente (301, 302, 303) voneinander unterscheidbar sind.
Messverfahren nach Anspruch 19, wobei die durch die mindestens zwei optischen Sensorelemente (301, 302, 303) transmittierten optischen Primärstrahlungen (407) mittels unterschiedlicher Wellenlängen-Ansprechbereiche der mindestens zwei optischen Sensorelemente (301, 302, 303) voneinander unterscheidbar sind.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die aus den mindestens zwei optischen Sensorelementen (301, 302, 303) emittierten optischen Sekundärstrahlungen (408) mittels unterschiedlicher Laufzeiten zwischen jeweiligem optischen Sensorelement (301, 302, 303) und zugehöriger Sende/Empfangseinheit voneinander unterscheidbar sind.