DE19605717C1 - Faseroptische Meßeinrichtung - Google Patents
Faseroptische MeßeinrichtungInfo
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer faseroptischen
Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung
auf einen Stand der Technik Bezug, wie er durch K. Bohnert et
al., Coherence-Tuned Interrogation of a Remote Elliptical Core,
Dual-Mode Fiber Strain Sensor, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,
Vol. 13, No. 1, January 1995, S. 94-103, bekannt ist. Dort
werden 2 faseroptische Meßeinrichtungen zur Messung
elektrischer Wechselspannungen beschrieben, bei denen die
elektrische Spannung an einen zylinderförmigen Quarzkristall
angelegt wird. Eine resultierende, periodische,
piezoelektrische Deformation bzw. Umfangsänderung des
Quarzkristalls wird auf eine 2Modenglasfaser als Sensorfaser
übertragen. Die dadurch hervorgerufene periodische Dehnung der
Sensorfaser führt zu einer Modulation des Phasenunterschiedes
der beiden räumlichen, optischen Moden LP₀₁ und LP₁₁ (gerade),
die sich in der Sensorfaser ausbreiten. Diese Phasenmodulation
ist zur angelegten elektrischen Spannung proportional. Zur
Messung wird Licht von einem Mehrmodenlaser über die
Sensorfaser, eine Einmodenfaser und 2 Modulatoren mit einer
2Modenfaser als Empfangsfaser zu 2 Photodioden geleitet, welche
das Interferenzmuster der beiden Moden detektieren. Die
differentielle, optische Phase der Moden der Empfangsfaser wird
mit Hilfe eines elektronischen Regelkreises und 2er
piezoelektrischer Modulatoren derart geregelt, daß die
Phasenmodulation in der Sensorfaser gerade wieder kompensiert
wird. Die im Regelkreis erzeugte und an den Piezomodulatoren
anliegende Regelspannung ist somit ein Abbild der zu messenden
elektrischen Spannung. Statt in Transmission kann die
Sensorfaser auch in Reflexion betrieben werden. Ein
wesentliches Merkmal des Sensors besteht darin, daß Störungen
durch Temperaturschwankungen und mechanische Erschütterungen,
welche auf die Verbindungsfasern zwischen der Sende-
/Empfangseinheit und den Sensorkopf einwirken, das Meßsignal
nicht beeinträchtigen. Längenänderungen von Sensor- und
Empfangsfaser infolge von Temperaturänderungen führen ebenfalls
zu optischen Phasenverschiebungen. Diese sind aber in der Regel
so langsam, daß sie problemlos von den periodischen, elektrisch
induzierten Phasenänderungen separiert werden können.
In der Hochspannungstechnik kann die zu messende elektrische
Spannung bis zu einige 100 kV betragen. Die
Phasenverschiebungen in der Sensor- und Empfangsfaser sind dann
relativ groß. Die erforderliche Regelspannung zur Kompensation
der optischen Phasenmodulation und/oder die Länge der auf die
Modulatoren aufgewickelten Empfangsfaser nehmen entsprechend
zu. Die Detektion wird damit komplexer. Zudem können bei
höheren Regelsignalen Hystereseeffekte der Piezomodulatoren die
Signalqualität beeinträchtigen. Im Regelfall sollte die
Regelspannung eine Schwelle von wenigen Volt nicht
überschreiten.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst
die Aufgabe, eine faseroptische Meßeinrichtung der eingangs
genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie auch für
elektrische Spannungen bis zu einigen 100 kV ohne Einbuße an
Meßgenauigkeit und ohne Zunahme der Komplexität einsetzbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein für relativ
niedrigere Spannungen bekanntes Meßverfahren ohne große
Änderungen auch für Hochspannungen anwendbar wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine faseroptische Meßeinrichtung mit
einer polarimetrischen Sensorfaser in
Transmissionsanordnung,
Fig. 2a-5a Orientierungen von Faserachsen einer
Zuleitungsfaser, der Sensorfaser, einer
Rückleitungsfaser und einer Empfangsfaser der
faseroptischen Meßeinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 2b-5b angeregte optische Moden in den optischen Fasern
gemäß den Fig. 2a-5a,
Fig. 6 schematisch eine faseroptische Meßeinrichtung mit
einer polarimetrischen Sensorfaser in
Reflexionsanordnung,
Fig. 7 einen hohlzylindrischen Modulator und
Fig. 8 und 9 Interferenzanordnungen bei Verwendung einer
polarimetrischen Empfangsfaser.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt schematisch eine faseroptische Meßeinrichtung mit
einem Quarzzylinder bzw. einem piezoelektrischen Sensorelement
(6) aus Quarz mit einer auf dessen Zylinderumfang gewickelten
polarimetrischen Glasfaser bzw. Lichtfaser bzw. Sensorfaser (s)
in einer Transmissionsanordnung. Eine polarimetrische
Lichtfaser weist 2 zueinander orthogonale optische Hauptachsen
(x, y) senkrecht zur Faserrichtung auf. Bei einer vorgegebenen
Wellenlänge sind die beiden orthogonalen Polarisationszustände
(LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) des LP₀₁-Grundmodus ausbreitungsfähig
mit Polarisationen parallel zu den optischen Hauptachsen
(x, y). Die effektiven Brechungsindizes für die beiden
Polarisationen sind unterschiedlich, d. h., die Lichtfaser ist
doppelbrechend.
Von einer niederkohärenten Lichtquelle (1), z. B. einer
Mehrmoden-Laserdiode, wird Licht über eine hochdoppelbrechende
und damit polarisationserhaltende Einmodenglasfaser bzw.
Einmodenlichtfaser bzw. Zuleitungsfaser (2) mit 2 zueinander
orthogonalen optischen Hauptachsen (x, y), vgl. Fig. 2a, der
Sensorfaser (s), vgl. Fig. 3a, über eine Glasfaserverbindung
bzw. einen Spleiß (3) zugeführt. In der Einmodenlichtfaser (2)
ist das Licht parallel zu einer der optischen Hauptachsen
(x, y) eines elliptischen Faserkerns (14) polarisiert, welcher
Faserkern (14) von einem Fasermantel (15) umgeben ist. Die
Zuleitungsfaser (2) und die Sensorfaser (s) sind in dem Spleiß
(3) so zusammengespleißt, daß ihre optischen Hauptachsen (x, y;
x′, y′) in einem Winkel von 45° zueinander stehen, wobei die
optischen Hauptachsen der Sensorfaser (s) mit (x′, y′)
bezeichnet sind. Die optischen Hauptachsen (x, y; x′, y′)
dieser beiden verspleißten Fasern (2, s) dürfen allenfalls um
einen tolerierbaren Differenzwinkel (ε) von 30°, vorzugsweise
von 10° von diesem 45°-Winkel abweichen. In der Sensorfaser
(s) sind dann beide orthogonalen optischen Moden bzw.
Polarisationszustände des Grundmodus (LP₀₁(x′)) und (LP₀₁(y′))
angeregt und haben bei einem 45°-Winkel die gleiche Amplitude,
vgl. Fig. 3b. In der Zuleitungsfaser (2), vgl. Fig. 2b, ist
z. B. der Grundmodus (LP₀₁) in y-Richtung angeregt. Die
Sensorfaser (s) steht mit einem piezoelektrischen Sensorelement
(6), z. B. einem Quarzzylinder, in Wirkverbindung, auf den ein
bezüglich seiner Amplitude zu messendes elektrisches Feld
einwirkt, welches durch ein Blitzzeichen angedeutet ist.
Nach einem Durchlaufen der Sensorfaser (s) wird das Licht über
einen Spleiß (4) in eine weitere polarisationserhaltende
Einmodenlichtfaser bzw. Rückleitungsfaser (2′) und von dieser
über einen weiteren Spleiß (5) in eine optische
2Modenlichtfaser bzw. Empfangsfaser (r) eingekoppelt.
In einer 2Modenlichtfaser ist bei einer vorgegebenen
Wellenlänge neben dem Grundmodus LP₀₁ auch der gerade LP₁₁-
Modus ausbreitungsfähig. Die Lichtfaser weist 2 zueinander
orthogonale optische Hauptachsen (x, y) senkrecht zur
Faserrichtung auf. Beide räumliche Moden (LP₀₁- und gerader
LP₁₁-Modus) können sowohl parallel zur x- als auch parallel zur
y-Richtung polarisiert sein, sie werden dementsprechend als
LP₀₁(x)- und gerader LP₁₁(x)-Modus bzw. als LP₀₁(y)- und
gerader LP₁₁(y)-Modus bezeichnet.
Die optischen Hauptachsen (x′, y′; x, y) von Sensorfaser (s)
und Rückleitungsfaser (2′) stehen ebenfalls in einem Winkel von
45° ± ε zueinander. Die optischen Hauptachsen (x, y) von
Rückleitungsfaser (2′) und Empfangsfaser (r) stehen parallel
oder senkrecht zueinander, mit einer tolerierbaren Abweichung
von ±10°; sie sind jedoch so zusammengespleißt, daß ihre
optischen Achsen, welche in eine zur xy-Ebene orthogonalen
z-Richtung zeigen, einen kleinen lateralen Versatz in y-Richtung
haben, derart, daß die beiden räumlichen Moden (Grundmodus
(LP₀₁) und gerader LP₁₁-Modus) der Empfangsfaser (r) mit etwa
gleicher Amplitude angeregt werden, vgl. Fig. 5b.
Fig. 4a zeigt die Orientierung der Faserachsen der
Rückleitungsfaser (2′) und Fig. 4b die darin angeregten
optischen Moden.
Die Empfangsfaser (r) ist um 1. und 2. Hohlzylinder aus einer
piezoelektrischen Keramik bzw. um piezoelektrische Modulatoren
(7, 8) gewickelt; sie steht ausgangsseitig über einen als
Analysator (9) wirkenden Polarisator mit 2 optoelektrischen
Detektoren bzw. Photodioden bzw. Lichtdetektoren (D1, D2) in
optischer Verbindung, welche jeweils ausgangsseitig eine
Ausgangsspannung (U1) bzw. (U2) liefern, die zur empfangenen
Lichtleistung proportional ist. Die Lichtdetektoren (D1, D2)
sind so angeordnet, daß sie beide jeweils eine der beiden
gegenphasigen Substrukturen des Interferenzmusters detektieren.
Der Analysator (9) am Ende der Empfangsfaser (r) ist parallel
zu einer der beiden optischen Hauptachsen (x, y) der
Empfangsfaser (r) ausgerichtet, d. h., je nach
Analysatorstellung wird die x- oder die y-Polarisation der
Moden detektiert. Von dieser parallelen Ausrichtung darf der
Analysator (9) höchstens um ± 10° abweichen. Die relative
Phasenverschiebung der Moden ist bei einer gegebenen
Längenänderung der Lichtfaser polarisationsabhängig mit einem
Unterschied von typisch 20%-30% zwischen den beiden
orthogonalen Polarisationen. Mit dieser Orientierung der Fasern
(2, s, 2′, r) erreicht man, daß das Licht der beiden
Polarisationsmoden der Sensorfaser (s) jeweils zu etwa gleichen
Anteilen auf die beiden räumlichen Moden der Empfangsfaser (r)
aufgeteilt wird.
Die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x′)) und
(LP₀₁(y′)) der Sensorfaser (s) akkumulieren einen
Gangunterschied
ΔLs = lS · Δng,s,
wobei ls die Länge der Sensorfaser (s) und Δng,s der
Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden
Polarisationszustände ist.
Die beiden räumlichen Moden der Empfangsfaser (r) (je nach der
Stellung des Analysators (9) sind dies entweder der LP₀₁(x)-
und der gerade LP₁₁(x)-Modus oder der LP₀₁(y)- und der gerade
LP₁₁(y)-Modus) akkumulieren einen Gangunterschied
ΔLr = lr · Δng,r,
wobei lr die Länge der Empfangsfaser (r) und Δng,r der
Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden Moden ist.
Dieser Unterschied ist nur unwesentlich von der Polarisation
abhängig, so daß an dieser Stelle nicht zwischen der x- und y-Polarisation
unterschieden wird. Die Faserlängen ls und lr
werden so gewählt, daß ΔLs und ΔLr innerhalb der Kohärenzlänge
der Lichtquelle (1) gleich sind.
Am Ende der Empfangsfaser (r) gibt es Lichtwellen mit einem
relativen Gangunterschied von ΔLr - ΔLs ≈ 0, die miteinander
kohärent interferieren und Lichtwellen mit relativen
Gangunterschieden von Ls und ΔLr (mit ΔL₅ ≈ ΔLr) sowie
ΔL₅ + ΔLr, welche inkohärent interferieren und lediglich einen
konstanten Untergrund zum Interferenzmuster liefern. Wichtig
ist, daß ΔLs bzw. ΔLr deutlich größer als die Kohärenzlänge der
Lichtquelle (1) sind.
In einer Sensorfaser (s) mit einer Länge der großen Hauptachse
des Faserkerns (14) von 4 µm, einer Länge der kleinen
Hauptachse von 2 µm, einem Brechungsunterschied zwischen
Faserkern (14) und Fasermantel (15) von 0,03 und einer
Faserlänge von 1 m wurde für die beiden orthogonalen
Polarisationen ein akkumulierter optischer Wegunterschied von
etwa 0,2 mm bei einer Wellenlänge von 780 nm gemessen. Der
Unterschied zwischen den Gruppenbrechungsindizes der beiden
Polarisationszustände des LP₀₁-Grundmodus der Sensorfaser (s)
ist nahezu unabhängig von der Wellenlänge. Im Gegensatz dazu
ist der Gruppenbrechungsunterschied zwischen den beiden
räumlichen Moden LP₀₁ und LP₁₁ der Empfangsfaser (r) stark
abhängig von der Wellenlänge des Lichtes.
Die Empfindlichkeit der Fasern, d. h. die differentielle
Phasenänderung bei einer gegebenen Längenänderung der Faser,
wird im wesentlichen durch den Unterschied der effektiven
Brechungsindizes, den die interferierenden Wellen "sehen",
bestimmt. Für Fasern mit einem elliptischen Faserkern (14) des
oben genannten Typs ist für eine Phasenverschiebung von 2π
zwischen den räumlichen Moden (LP₀₁) und (LP₁₁) eine
Längenänderung von ca. 100 µm erforderlich. Die gleiche
Phasenverschiebung zwischen den orthogonalen Polarisationen des
Grundmodus (LP₀₁) erfordert eine Längenänderung von ca. 1,5 mm.
Wird also bei einem optischen Spannungssensor die 2Moden-Sensorfaser
nach dem eingangs genannten Stand der Technik durch
eine polarimetrische Faser (s) ersetzt, so können mit
unverändertem Detektionssystem 15fach höhere Spannungen
gemessen werden.
Ein Differenzbildner (10), dem eingangsseitig die
Ausgangsspannungen (U1) und (U2) der Lichtdetektoren (D1, D2)
zugeführt sind, liefert ausgangsseitig eine Differenzspannung
(ΔU) an einen Regler bzw. Differenzspannungsregler (11),
welcher die Differenzspannung (ΔU) auf 0 regelt. Dieser
Differenzspannungsregler (11) liefert ausgangsseitig ein Signal
(S), das sowohl einen Gleich- als auch einen
Wechselspannungsanteil enthält. Dieses Signal (S) gelangt über
ein Tiefpaßfilter (TP) an einen Gleichspannungsverstärker (12),
welcher ausgangsseitig eine Kompensationsspannung (U12) an den
Modulator (8) überträgt. Das Signal (S) ist ferner einem
Sperrfilter (13) für die Resonanzfrequenz des Modulators (8)
zugeführt, welches ausgangsseitig eine Kompensationsspannung
(U13) an den Modulator (7) überträgt. Das Sperrfilter (13) hat
die Aufgabe, ein Schwingen des Regelkreises auf der
Resonanzfrequenz des Modulators (8) zu verhindern. Die
Kompensationsspannung (U13) ist proportional zu der zu
messenden elektrischen Wechselspannung und somit gleichzeitig
ein Ausgangssignal der faseroptischen Meßeinrichtung. Die für
eine gegebene Modulatorspannung hervorgerufene optische
Phasenverschiebung ist abhängig von der Geometrie und vom
Material des Modulators (7, 8) sowie vom Typ der Lichtfaser und
der Länge des mit dem Modulator (7, 8) in Verbindung stehenden
Lichtfasersegments. Der Modulator (7, 8) kann z. B. so
ausgelegt sein, daß eine Kompensationsspannung (U13) von ±3 V
eine differentielle optische Phasenverschiebung von ±10°
zwischen den räumlichen Moden LP₀₁ und LP₁₁ bewirkt.
Fig. 6 zeigt eine faseroptische Meßeinrichtung, bei der die
Sensorfaser (s) in Reflexion betrieben wird. Licht von der
Lichtquelle (1) wird über die Zuleitungsfaser (2), einen Spleiß
(17), einen Faserkoppler (18), einen Spleiß (19), eine weitere
Zuleitungsfaser (20), welche gleiche optische Eigenschaften wie
die Zuleitungsfaser (2) aufweist, und den Spleiß (3) der
Sensorfaser (s) zugeführt, welche endseitig mit einer
reflektierenden Beschichtung (21) versehen ist. Im Faserkoppler
(18) wird das Licht vorzugsweise im Verhältnis 1 : 1
aufgeteilt. Das Licht wird am Ende der Sensorfaser (s) in der
Beschichtung (21) reflektiert und durchläuft die Sensorfaser
(s) ein 2. Mal. Über die Zuleitungsfaser (20), den Spleiß (19),
den Faserkoppler (18) und den Spleiß (5) gelangt ein Teil des
reflektierten Lichtes in die Empfangsfaser (r), an deren Ende
wiederum das Interferenzmuster der beiden Moden (LP₀₁) und
(LP₁₁) hinter dem Analysator (9) detektiert wird. Zur
Kompensation des in der Sensorfaser (s) akkumulierten
Gangunterschiedes zwischen den orthogonalen
Polarisationszuständen können 2 hohlzylindrische Modulatoren
(7) und (8) gemäß Fig. 1 mit der Empfangsfaser (r) in
Wirkverbindung stehen oder nur ein hohlzylindrischer Modulator
(22), wie in Fig. 6 schematisch dargestellt. Bei dem Modulator
(22) wird die Kompensationsspannung (U13) an der Innenseite
bzw. Innenwand des Hohlzylinders angelegt und die
Kompensationsspannung (U12) an dessen Außenseite bzw. Außenwand
oder umgekehrt (nicht dargestellt). Die Auswerteinrichtungen
sind gleich wie in Fig. 1.
Zu beachten ist, daß sich infolge des 2maligen Lichtdurchlaufs
durch die Sensorfaser (s) der akkumulierte Gangunterschied
zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen und die
Amplitude der differentiellen Phasenmodulation im Vergleich zur
Transmissionsanordnung gemäß Fig. 1 verdoppeln. Bei der
Dimensionierung der Sensoren (7, 8; 22), der Sensorfaser (s)
und der Empfangsfaser (r) ist dies entsprechend zu
berücksichtigen.
Die Reflexionsanordnung gemäß Fig. 6 ist besonders bei großen
Abständen zwischen einem Meßkopf mit der Sensorfaser (s) und
einer Sende-/Empfangseinheit mit der Lichtquelle (1) und der
Empfangsfaser (r) mit nachgeordneten Empfangs- und
Steuereinrichtungen (9, D1, D2, 10-13, TP) geeignet, da sich
im Vergleich zur Transmissionsanordnung gemäß Fig. 1 die
benötigte Faserlänge zur Lichtübertragung zwischen den beiden
Einheiten halbiert. Ebenso halbiert sich die Anzahl etwa
benötigter Lichtfaserstecker (nicht dargestellt).
Fig. 7 zeigt einen hohlzylindrischen Modulator (22′) mit einer
geerdeten Elektrodenbeschichtung (25) an dessen Innenwand und 2
durch eine elektrodenfreie Zone (a) voneinander beabstandete
und elektrisch gegenseitig isolierte Elektrodenbeschichtungen
(23, 24) an dessen Außenwand. An eine der beiden
Elektrodenbeschichtungen (23) ist die Kompensationsspannung
(U12) und an die andere (24) die Kompensationsspannung (U13)
angelegt. Ein derartiger Modulator (22′) kann anstelle des
Modulators (22) in Fig. 6 eingesetzt werden. Es versteht sich,
daß Innen- und Außenelektroden vertauscht sein können. Eine der
beiden Elektrodenbeschichtung (23, 24) kann außen und die
andere innen am Modulator (22′) angebracht sein. Es versteht
sich ferner, daß die Modulatoren (22, 22′) gemäß den Fig. 6 und
7 auch für die Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden können.
Anstelle der 2Moden-Empfangsfaser (r) kann grundsätzlich auch
eine polarimetrische Lichtfaser verwendet werden. Die optischen
Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) sind dann im Spleiß
(5) unter einem Winkel von 45° ± ε bezüglich der Achsen der
Rückleitungsfaser (2′) ausgerichtet. Falls die Empfangsfaser
(r) über eine Luftstrecke oder direkt mit der Sensorfaser (s)
in optischer Verbindung steht, sind die optischen Hauptachsen
(x, y) der Empfangsfaser (r) entweder unter einem Winkel von
45° ±ε oder unter einem Winkel von 90° ±ε bezüglich der
optischen Hauptachsen (x′, y′) der Sensorfaser (s) angeordnet.
Die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und
(LP₀₁(y)) der Empfangsfaser (r) akkumulieren einen
Gangunterschied
ΔLr - lr Δng,r*,
wobei Δng,r der Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der
orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) der
Empfangsfaser (r) ist. Für ΔLs und ΔLr gelten wieder die weiter
oben angegebenen Bedingungen. Am Ende der Empfangsfaser (r)
werden die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x))
und (LP₀₁(y)) mit Hilfe der in Fig. 8 oder 9 angegebenen
optischen Anordnungen zur Interferenz gebracht. Die beiden
gegenphasigen Interferenzsignale werden wieder mit den
Lichtdetektoren (D1, D2) detektiert.
Gemäß Fig. 8 wird das aus der Empfangsfaser (r) austretende
Lichtbündel mittels einer Linse (L) auf einen Strahlteiler (ST)
fokussiert und darin in 2 Teilstrahlen zerlegt, welche über
Polarisatoren (P1, P2) zu den Lichtdetektoren (D1, D2)
gelangen. Die Kanten des Strahlteilers (ST) stehen unter einem
Winkel von 45° ±10° zu den optischen Hauptachsen (x, y) der
Empfangsfaser (r). Der Polarisator (P1) steht unter einem
Winkel von 45° ±ε und der Polarisator (P2) unter einem Winkel
von -45° ±ε zu einer der beiden optischen Hauptachsen (x, y)
der Empfangsfaser (r).
Gemäß Fig. 9 werden die beiden orthogonalen
Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) der Empfangsfaser
(r) mittels einer Linse (L) auf ein Wollastonprisma (W)
fokussiert und darin zur Interferenz gebracht. Die optische
Achse des Wollastonprismas (W) steht unter einem Winkel von
45° ±ε zu den optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser
(r). Bei genügender Kompaktheit der optischen Anordnungen gemäß
den Fig. 8 und 9 kann die Linse (L) auch entfallen.
Es versteht sich weiterhin, daß anstelle von Quarzzylindern und
Piezokeramiken auch andere piezoelektrische Bauelemente als
Sensorelement (6) und als Modulatoren (7, 8, 22, 22′) verwendet
werden können.
Prinzipiell können die Zuleitungsfasern (2, 20) und die
Rückleitungsfaser (2′) entfallen. Das polarisierte Licht könnte
z. B. durch die Luft oder durch Vakuum übertragen und mit Hilfe
von Linsen in die Lichtfasern eingekoppelt werden.
Anstatt der elektrischen Spannung kann auch eine andere
physikalische Größe gemessen werden, sofern sie eine
Längenänderung der Sensorfaser (s) bewirkt, die eindeutig
dieser physikalischen Größe zugeordnet werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle, Mehrmodenlaser
2, 20 Einmodenlichtfasern, hochdoppelbrechende Einmodenglasfasern, Zuleitungsfasern
2′ Einmodenlichtfaser, hochdoppelbrechende Einmodenglasfaser, Rückleitungsfaser
3-5, 17, 19 Spleiße, Glasfaserverbindungen
6 Sensorelement, Quarzzylinder
7, 8, 22, 22′ Modulatoren
9 Analysator
10 Differenzbildner
11 Regler, Differenzspannungsregler
12 Gleichspannungsverstärker
13 Sperrfilter
14 Faserkern
15 Fasermantel
18 Faserkoppler
21 reflektierende Beschichtung
23-25 Elektrodenbeschichtungen
a elektrodenfreie Zone
D1, D2 Lichtdetektoren, optoelektrische Detektoren, Photodioden
L Linse
LP₀₁ optischer Grundmodus
LP₁₁ optischer gerader Modus
P1, P2 Polarisatoren
r optische 2Modenlichtfaser, polarimetrische Lichtfaser, Empfangsfaser
s polarimetrische optische Faser, Sensorfaser
S Signal am Ausgang von 11
ST Strahlteiler
U1, U2 Ausgangsspannungen von D1, D2
U12 Ausgangssignal von 12, Kompensationsspannung, Kompensationspotential
U13 Ausgangssignal von 13, Kompensationsspannung, Kompensationspotential
TP Tiefpaßfilter
W Wollastonprisma
x, y; x′, y′ optische Hauptachsen
ΔU Differenzspannung
ε Differenzwinkel, Toleranzwinkel.
2, 20 Einmodenlichtfasern, hochdoppelbrechende Einmodenglasfasern, Zuleitungsfasern
2′ Einmodenlichtfaser, hochdoppelbrechende Einmodenglasfaser, Rückleitungsfaser
3-5, 17, 19 Spleiße, Glasfaserverbindungen
6 Sensorelement, Quarzzylinder
7, 8, 22, 22′ Modulatoren
9 Analysator
10 Differenzbildner
11 Regler, Differenzspannungsregler
12 Gleichspannungsverstärker
13 Sperrfilter
14 Faserkern
15 Fasermantel
18 Faserkoppler
21 reflektierende Beschichtung
23-25 Elektrodenbeschichtungen
a elektrodenfreie Zone
D1, D2 Lichtdetektoren, optoelektrische Detektoren, Photodioden
L Linse
LP₀₁ optischer Grundmodus
LP₁₁ optischer gerader Modus
P1, P2 Polarisatoren
r optische 2Modenlichtfaser, polarimetrische Lichtfaser, Empfangsfaser
s polarimetrische optische Faser, Sensorfaser
S Signal am Ausgang von 11
ST Strahlteiler
U1, U2 Ausgangsspannungen von D1, D2
U12 Ausgangssignal von 12, Kompensationsspannung, Kompensationspotential
U13 Ausgangssignal von 13, Kompensationsspannung, Kompensationspotential
TP Tiefpaßfilter
W Wollastonprisma
x, y; x′, y′ optische Hauptachsen
ΔU Differenzspannung
ε Differenzwinkel, Toleranzwinkel.
Claims (10)
1. Faseroptische Meßeinrichtung
- a) mit einer Lichtquelle (1) zum Aussenden von linearpolarisiertem Licht,
- b) mit einer Sensorfaser (s), die mit einem piezoelektrischen Sensorelement (6) mechanisch und mit der Lichtquelle (1) optisch in Verbindung steht,
- c) mit einer Empfangsfaser (r), die mit mindestens einem Modulator (7, 8; 22, 22′) mechanisch und mit der Sensorfaser (s) optisch in Verbindung steht, und
- d) mit mindestens 2 Lichtdetektoren (D1, D2), welche mit der Empfangsfaser (r) in optischer Verbindung stehen und ausgangsseitig Signale (U1, U2) liefern, welche proportional zur empfangenen Lichtintensität sind, dadurch gekennzeichnet,
- e) daß die Sensorfaser (s) eine polarimetrische Lichtfaser ist, keine Zweimodenfaser.
2. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- a) daß die optischen Hauptachsen (x′, y′) der Sensorfaser
- (s) unter einem Winkel von 45° ±ε zur Polarisationsrichtung eines von der Lichtquelle (1) einfallenden Lichtstrahles und
- b) ebenfalls unter einem Winkel von 45° ±ε zu zueinander orthogonalen optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) stehen, wobei ε ein vorgebbarer Toleranzwinkel ist.
3. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet,
- a) daß der Toleranzwinkel ε 30°,
- b) insbesondere, daß der Toleranzwinkel ε 10° ist.
4. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfaser
(r) über einen Analysator (9) mit den Lichtdetektoren (D1,
D2) in optischer Verbindung steht.
5. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Analysator (9) am Ende der
Empfangsfaser (r) parallel zu einer der beiden optischen.
Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) ausgerichtet ist
mit einem Toleranzwinkel von ±10°.
6. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfaser (r)
eine 2Modenlichtfaser ist.
7. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß die Lichtquelle (1) niederkohärentes Licht aussendet und
- b) daß für die Sensorfaser (s) und für die Empfangsfaser (r) wenigstens annähernd die Bedingung: ls · Δng,s = lr · Δng,rgilt, mit ls = Länge der Sensorfaser (s), Δng,s = Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁ (x′)) und (LP₀₁(y′)) des Grundmodus (LP₀₁) der Sensorfaser (s) mit den beiden zueinander orthogonalen optischen Hauptachsen (x′, y′), lr = Länge der Empfangsfaser (r) und Δng,r = Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden räumlichen Moden (LP₀₁) und (LP₁₁) der Empfangsfaser (r),
- c) insbesondere, daß die Lichtquelle (1) eine Kohärenzlänge aufweist, die kleiner als ls · Δng,s ist.
8. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- a) daß die Empfangsfaser (r) eine polarimetrische Lichtfaser ist und
- b) daß die optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) unter einem Winkel von 45° ±ε zur Polarisationsrichtung eines von der Sensorfaser (s) übermittelten Lichtstrahles stehen, wobei ε ein vorgebbarer Toleranzwinkel ist,
- c) insbesondere, daß die Empfangsfaser (r) über einen Strahlteiler (ST) und 2 nachgeordnete Polarisatoren (P1, P2) oder
- d) über ein Wollastonprisma (W) mit den Lichtdetektoren (D1, D2) in optischer Verbindung steht.
9. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß der mindestens eine Modulator (22) hohlzylindrisch ist,
- b) daß an dessen Innenwand ein niederfrequentes Kompensationspotential (U13) und
- c) daß an dessen Außenwand ein höherfrequentes Kompensationspotential (U12) anliegt
- d) oder umgekehrt.
10. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß der mindestens eine Modulator (22′) hohlzylindrisch ist und
- b) auf seiner Innen- oder Außenwand 2 elektrisch gegenseitig isolierte Elektrodenbeschichtungen (23, 24) aufweist,
- c) von denen eine mit einem niederfrequenten Kompensationspotential (U13) und
- d) die andere mit einem höherfrequenten Kompensationspotential (U12) in elektrischer Verbindung steht.
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DE1996105717 DE19605717C1 (de) | 1996-02-16 | 1996-02-16 | Faseroptische Meßeinrichtung |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1996
- 1996-02-16 DE DE1996105717 patent/DE19605717C1/de not_active Expired - Fee Related
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