DE19900019A1 - Faseroptischer Sensor - Google Patents
Faseroptischer SensorInfo
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Abstract
Es wird ein faseroptischer Sensor (10) mit mindestens einer Faser (19) als optischem Lichtwellenleiter (18) und mit mindestens einer Sensormembran (20, 21, 22) zur Bestimmung eines physikalischen oder chemischen Parameters einer Probe vorgeschlagen. Die Sensormembran (20, 21, 22) enthält eine Indikatorsubstanz, die die Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) für elektromagnetische Strahlung und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem Kontakt mit einem Gas oder Gasgemischändert. Der optische Lichtwellenleiter (18), der in mindestens einem Detektionsbereich (25) mit der Faser (19) in Kontakt ist, überträgt dabei eine physikalische Meßgröße, die sich durch die Änderung der Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) ändert von einem Sender (13) zu einem Empfänger (12), wobei der Empfänger (12) so angeordnet ist, daß er die Änderung der von dem Sender (13) emittierten und von dem Lichtwellenleiter (18) übertragenen physikalischen Meßgrößen in Reflexion detektiert. Damit kann beispielsweise auch der Ort der die Änderung hervorrufenden Sensormembran (20, 21, 22) bestimmt werden. Der vorgeschlagene faseroptische Sensor (10) eignet sich insbesondere als Brandmelder, als Luftgütesensor oder für Anwendungen in der Domotik.
Description
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor nach der
Gattung des Hauptanspruches.
Ein derartiger Sensor wurde bereits in der unveröffentlichten
Anmeldung DE 197 41 335.8 vorgeschlagen, worin eine
Sensormembran und eine Vorrichtung zur Verwendung dieser
Sensormembran in Form einer Optode beispielsweise in
Brandmeldern oder Luftgütesensoren beschrieben ist. Die
Sensormembran dient dort der Bestimmung eines physikalischen
und/oder chemischen Parameters einer Probe und enthält eine
Indikatorsubstanz, die die Absorptionseigenschaften der
Sensormembran für elektromagnetische Strahlung und/oder deren
optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem Kontrakt mit
einem Gas oder Gasgemisch ändert. Weiterhin ist daraus bekannt,
diese Sensormembran in einer Vorrichtung zu verwenden, die einen
Sender und Empfänger, insbesondere eine Photodiode, für
elektromagnetische Strahlung ausweist, die die Änderung der
Eigenschaften der Membran erfaßt. Gemäß Fig. 4 der genannten
Anmeldung in Verbindung mit dem zugehörigen Ausführungsbeispiel
ist außerdem bekannt, Sender und Empfänger über einen
Lichtwellenleiter zu verbinden, der sich beispielsweise mit
Hilfe eines Strahlteilers in zwei Arme teilt und von denen ein
Arm als Referenzarm und ein Arm als Meßarm für den Detektor
dient. Der Meßarm steht dabei in Kontakt mit der Sensormembran,
die auch auf dem Lichtwellenleiter angeordnet sein kann.
Weiterhin ist bekannt, mehrere Sensormembrane mit
unterschiedlicher Gasselektivität mit mehreren Sendern und
Empfängern oder einem Sender und einem Empfängerarray zu
kombinieren sowie mehrere Lichtwellenleiter parallel zu
verwenden.
Im übrigen ist es bekannt, Systeme von mehreren Sensoren für
Anwendungen im Bereich der Brandsensorik als elektrische
Bussysteme zu realisieren. Jeder Sensor enthält dazu separate
LEDs als Lichtquellen oder Sender und Photodioden als Empfänger.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil,
daß der Empfänger eine Änderung zumindest einer, vom Sender in
die Faser oder den Lichtwellenleiter emittierten physikalischen
Meßgröße in Reflexion detektiert, so daß Sender und Empfänger
insbesondere in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Sende-
und Empfangsbauteil angeordnet werden können, was erhebliche
Installationskosten und die Installation vereinfacht. Daneben
können mit dieser Anordnung sehr vorteilhaft auch eine Vielzahl
von insbesondere parallelen Fasern an ein Sende- und
Empfangsbauteil angeschlossen werden.
Über innerhalb verschiedener Fasern an unterschiedlichen Orten
angebrachte Detektionsbereiche kann weiterhin sehr vorteilhaft
aus einer sich innerhalb einer Faser ändernden physikalischen
Meßgröße deren Änderung über die Veränderung der Sensormembran
in dem jeweiligen Detektionsbereich hervorgerufen wird, der Ort
des betreffenden Detektionsbereiches aus der Zuordnung der sich
ändernden Meßgröße zu der betroffenen Faser ermittelt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
Sehr vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist
beispielsweise auch, daß dieser mit einer Faser in Form eines
Lichtwellenleiters ausgebildet ist, die in den
Detektionsbereichen mit der Sensormembran zumindest annähernd
umgeben ist.
Insbesondere hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, wenn die
Faser einen Faserkern und einen Fasermantel aufweist, wobei der
Fasermantel in den Detektionsbereichen entfernt wird oder fehlt
und stattdessen dort der Faserkern mit der Sensormembran in
Kontakt steht oder, besonders vorteilhaft, von ihr zumindest
annähernd umgeben ist. Der Fasermantel kann dabei, wie der
Faserkern, zur Übertragung der physikalischen Meßgröße dienen -
beispielsweise in Form eines den Faserkern umgebenden
Lichtleiters.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor weiterhin, daß
die Funktion der Faser in Form eines optischen
Lichtwellenleiters und des bisher im Stand der Technik
verwendeten Busses zur Übertragung von elektronischen Signalen
zwischen Sender und Empfänger nicht mehr voneinander getrennt
sind. Es genügt deshalb ein Sender und ein Empfänger, um mehrere
Detektionsbereiche zu überwachen und gegebenenfalls mehrere,
beispielsweise parallel verlaufende Fasern mit unterschiedlich
vielen oder an unterschiedlichen Ort angebrachten
Detektionsbereichen an ein Sende- und Empfangsbauteil
anzuschließen. Damit werden erhebliche Kostenvorteile erzielt.
Überdies kann ein Sende- und Empfangsbauteil mit mehreren
angeschlossenen Fasern, die jeweils verschiedene
Detektionsbereiche mit die Faser beispielsweise umgebenden, für
verschiedene Gases gasspezifisch wirksame Sensormembrane
aufweisen, somit verschiedene Gase gleichzeitig detektieren.
Damit können über die Anordnung der Detektionsbereiche innerhalb
der einzelnen Fasern verschiedene Orte gleichzeitig überwacht
werden.
Innerhalb einer Faser können bei dem erfindungsgemäßen Sensor
nunmehr sehr vorteilhaft auch mehrere Detektionsbereiche
hintereinander angeordnet sein, die mit gegebenenfalls für
unterschiedliche Gase sensiblen Sensormembranen in Kontakt oder
umgeben sind, so daß eine Detektion verschiedener Gase innerhalb
einer Faser möglich ist, während gleichzeitig der Nachweis eines
Gases in einem Detektionsbereich definiert örtlich zugeordnet
werden kann.
Als physikalische Meßgröße, die von dem Sender emittiert und
über den Lichtwellenleiter oder die Faser zu dem Empfänger
übertragen wird, eignet sich insbesondere eine Intensität, wie
insbesondere eine Intensität elektromagnetischer Strahlung, eine
Frequenz wie insbesondere eine Lichtfrequenz, oder ein
emittiertes Frequenzspektrum. Für den Empfänger ist es dabei
ausreichend, wenn dieser eine Änderung der empfangenen Meßgröße
nachweist, die dadurch hervorgerufen wurde, daß eine
Sensormembran in einem Detektionsbereich ihre
Absorptionseigenschaften und/oder ihren optischen Brechungsindex
verändert hat, so daß der Empfänger nicht eine Absolutmessung
der empfangenen physikalischen Meßgröße vornehmen muß.
Weiterhin kann eine Veränderung der Sensormembran vorteilhaft
auch über eine Änderung von deren Brechungsindex und/oder von
deren Absorptionseigenschaften mit Hilfe einer sich dabei
verändernden Brillouin- oder Ramanstreuung nachgewiesen werden,
da eine derartige Streuung dazu führt, daß sich das vom Sender
emittierte Frequenzspektrum verändert. Wird beispielsweise
monochromatisches Licht einer festen Frequenz emittiert, so
detektiert der Empfänger über eine auftretende Brillouin- oder
Ramanstreuung zusätzliche Frequenzen, die nicht mit der
emittierten Frequenz übereinstimmen und die sich verändern, wenn
sich der Brechungsindex der Sensormembran in einem
Detektionsbereich ändert. Ein erfindungsgemäßer Sensor, der auf
dem Effekt der Brillouin- oder Ramanstreuung beruht, eignet sich
besonders bei einer großen Zahl von Detektionsbereichen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors
ist es auch, daß dieser es ermöglicht, den Ort der die Änderung
der empfangenen Meßgröße hervorrufenden Sensormembran zu
ermitteln. Damit kann beispielsweise bei Verwendung des
erfindungsgemäßen Sensors als Brandmelder mit einer Vielzahl von
hintereinander angeordneten Detektionsbereichen in verschiedenen
Räumen und lediglich einem Sende- und Empfangsbauteil der Ort
des Brandes ermittelt werden.
Die Ermittlung des Ortes erfolgt dabei entweder, wie ausgeführt,
über mehrere, parallel verlaufende Fasern mit unterschiedlich
angeordneten Detektionsbereichen, oder auf elektronischem Wege
beispielsweise über das an sich bekannte OTDR-Prinzip (optical
time domain reflectometry), bei dem über eine elektronische
Kopplung von Sender und Empfänger und eine entsprechende
Auswerteschaltung, die vom Sender emittierte physikalische
Meßgröße zeitlich mit der vom Empfänger detektierten Meßgröße
korreliert wird. Auftretende Änderungen in der empfangenen
Meßgröße können somit in vom Sender hervorgerufene Schwankungen
und in von einem Detektionsbereich über eine Sensormembran
hervorgerufene Änderungen separiert werden. Somit kann
beispielsweise eine durch eine Veränderung der Sensormembran in
einem Detektionsbereich auftretende zusätzliche Lichtstreuung
oder eine in einem Detektionsbereich über den Brillouin- oder
Raman-Effekt erzeugte Lichtfrequenz, die die vom Sender
emittierte Meßgröße verändert und die im Empfänger registriert
wird, zeitlich mit der Emission der Meßgröße aus dem Sender
korreliert werden. Aus der Zeitdifferenz zwischen der Emission
der Meßgröße aus dem Sender und dem Nachweis der durch einen
Detektionsbereich veränderten Meßgröße im Empfänger läßt sich
somit über die bekannte Lichtgeschwindigkeit innerhalb der
Faser, die Entfernung des betreffenden Detektionsbereiches vom
Sende- und Empfangsbauteil errechnen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine
Prinzipskizze eines faseroptischen Sensors und Fig. 2 einen
Ausschnitt aus Fig. 1 im Detail.
Die Fig. 1 und 2 erläutern ein Ausführungsbeispiel des
faseroptischen Sensors 10. Dieser weist ein Sende- und
Empfangsbauteil 11 auf und eine Faser 19 in Form eines optischen
Lichtwellenleiters 18. Innerhalb des Sende- und Empfangsbauteils
11 befindet sich ein Sender 13, wie insbesondere eine
Lichtquelle in Form einer LED oder Laserdiode einer bestimmten
Frequenz, der eine physikalische Meßgröße wie Licht einer
definierten Intensität oder eines definierten Frequenzspektrums
erzeugt und in die Faser 19 einleitet. Weiterhin befindet sich
innerhalb des Sende- und Empfangsbauteils 11 ein Empfänger 12,
wie insbesondere eine Photodiode, der die vom Sender 13
emittierte und von der Faser 19 übertragene physikalische
Meßgröße detektiert. Sender 13 und Empfänger 12 sind über eine
elektronische Verbindung 14 und eine elektronische
Auswerteschaltung 15 miteinander verbunden, die die von Sender
emittierte physikalische Meßgröße und die von Empfänger
detektierte physikalische Meßgröße insbesondere zeitlich
miteinander korreliert und somit innerhalb der Faser 19
hervorgerufene Änderungen der Meßgröße nachweist. Die
Korrelation und der Nachweis der Änderung der physikalischen
Meßgröße erfolgt beispielsweise in an sich bekannter Weise über
das Prinzip der "optical time domain reflectometry (OTDR)", das
in der Veröffentlichung "ANT-Nachrichtentechnische Berichte,
Heft 3, Dezember 1986, Seite 67 und 68" ausführlich erläutert
wird. Die elektronische Auswerteschaltung 15 ist dabei, wie
ebenfalls in "ANT-Nachrichtentechnische Berichte, Heft 3,
Dezember 1986, Seite 67 und 68" beschrieben, in an sich
bekannter Weise ausgeführt. Insbesondere sei dazu dort auch auf
die Bilder 13 bis 17 verwiesen.
Die Koppelung von Sender 13 und Empfänger 12 zur Bestimmung der
Korrelation kann jedoch auch dadurch erfolgen, daß ein
Lichtwellenleiter als Referenzarm innerhalb des Sende- und
Empfangsbauteils 11 zwischen Sender 12 und Empfänger 13
angebracht wird.
Die Faser 19 weist weiterhin einen Faserkern 30 und einen
Fasermantel 31 auf, der in den Detektionsbereichen 25 der Faser
19 fehlt. In den Detektionsbereichen 25 ist die Faser 19 von
einer Sensormembran 20, 21, 22 umgeben, die zur Bestimmung eines
physikalischen oder chemischen Parameters einer Probe eine
Indikatorsubstanz enthält, die die Absorptionseigenschaften der
Sensormembran 20, 21, 22 für elektromagnetische Strahlung
und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem
Kontakt mit einem Gas oder Gasgemisch insbesondere gasspezifisch
ändert.
Die Sensormembran 20, 21, 22 besteht zum selektiven Nachweis von
CO2 beispielsweise aus 2,07 mg N,N-dioctylaminophenyl-4'-
trifluoroacetyl-azobenzol und 0,44 mg
Tridodecylmethylammoniumchlorid, das in 80 mg reinem,
multifunktionellem Polysiloxan und THF gelöst wird und
anschließend auf der Faser in den Detektionsbereichen
aufgetragen wird. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels THF
bleibt eine homogene, transparente Gelschicht zurück mit einer
Dicke von 1 bis 5 µm.
Die Faser 19 weist an ihrem Ende außerdem ein Abschlußstück 32
in Form eines Absorbers oder Reflektors auf, das beispielsweise
eine möglichst vollständige Absorption der vom Sender 13
erzeugten Meßgröße oder alternativ für eine möglichst
vollständige Reflexion der das Abschlußstück 32 erreichenden
physikalischen Meßgröße gewährleistet. Die vom Sender 13
emittierte und innerhalb der Faser 19 durch Streuung, Absorption
oder Reflexion veränderte physikalische Meßgröße gelangt
beispielsweise über einen an sich bekannten Strahlteiler 16 in
den Empfänger 12.
Im einzelnen sendet der Sender 13 als physikalische Meßgröße,
beispielsweise ein gepulstes Lichtsignal definierter Intensität
aus, das über die Faser 18 in dem Faserkern 20 durch die
Detektionsbereiche 25 verläuft, dort teilweise reflektiert wird
und über den Strahlteiler 16 in den Empfänger 12 in Form einer
Photodiode gelangt. Die empfangene Intensität ist somit streng
mit der gesendeten Intensität korreliert. Diese Korrelation wird
in an sich bekannter Weise innerhalb der elektronischen
Schaltung 15 verarbeitet, die über die Verbindungen 14 mit
Sender 13 und Empfänger 12 verbunden ist. Verändern sich nun in
einem Detektionsbereich 25 die Absorptionseigenschaften einer
Sensormembran 20, 21, 22 für elektromagnetische Strahlung oder
deren optischer Brechungsindex aufgrund eines auftretenden
Gases, beeinflußt diese Veränderung die Reflexionseigenschaften
des Faserkerns 30 des Lichtleiters 18, so daß sich die vom
Empfänger 12 registrierte Intensität verändert. Damit ändert
sich auch die Korrelation zwischen Sender 13 und Empfänger 12
und der Sensor registriert die Veränderung der Sensormembran.
Die Ortsauflösung der die Meßgröße verändernde Sensormembran 20,
21, 22 erfolgt dabei, wie erläutert, durch das OTDR-Prinzip.
Die Änderung der Reflexionseigenschaften der Faser 19 und/oder
des Faserkerns 30 kann beispielsweise eine Schwächung eines am
Empfänger 12 ankommenden Lichtsignals sein, die dadurch
hervorgerufen wird, daß in einem Detektionsbereich 25 über eine
Veränderung der Sensormembran 20, 21, 22 Licht zusätzlich
absorbiert oder aus dem Faserkern 30 herausgestreut oder
emittiert wird.
Im Fall, daß man den Brillouin-Effekt oder den Raman-Effekt zur
Veränderung der physikalischen Meßgröße in den
Detektionsbereichen 25 ausnutzt, wird das zu detektierende Gas
nach dem Evaneszentfeldprinzip nachgewiesen, d. h. die
Veränderung der Sensormembran 20, 21, 22 bewirkt eine Änderung
des Brechungsindex im Fasermantel 25 und somit des
Phononenspektrums. Dadurch ändert sich ein vom Sender 13
emittiertes Frequenzspektrum, was vom Empfänger 12, wie
erläutert, nachgewiesen wird.
Claims (13)
1. Faseroptischer Sensor (10) mit mindestens einer Faser
(19) als optischem Lichtwellenleiter (18) und mit mindestens
einer Sensormembran (20, 21, 22) zur Bestimmung eines
physikalischen oder chemischen Parameters einer Probe, wobei die
Sensormembran (20, 21, 22) in mindestens einem Detektionsbereich
(25) mit der Faser (19) in Kontakt ist und eine
Indikatorsubstanz enthält, die die Absorptionseigenschaften der
Sensormembran (20, 21, 22) für elektromagnetische Strahlung
und/oder deren optischen Brechungsindex bei zumindest indirektem
Kontakt mit einem Gas oder Gasgemisch insbesondere gasspezifisch
ändert, und wobei der optische Lichtwellenleiter (18) mindestens
eine physikalische Meßgröße, die sich durch die Änderung der
Absorptionseigenschaften der Sensormembran (20, 21, 22) ändert,
von einem Sender (13) zu einem Empfänger (12) überträgt, dadurch
gekennzeichnet, daß der Empfänger (12) die Änderung zumindest
einer der von dem Sender (13) emittierten und von dem
Lichtwellenleiter (18) übertragenen physikalischen Meßgröße in
Reflexion detektiert.
2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Faser (19) in dem Detektionsbereich (25)
mit der Sensormembran (20, 21, 22) zumindest annähernd umgeben
ist.
3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Faser (19) aus einem Faserkern (30) und
einem Fasermantel (31) besteht, wobei der Fasermantel (31) in
dem Detektionsbereich (25) fehlt und stattdessen dort der
Faserkern (30) mit der Sensormembran (20, 21, 22) zumindest
annähernd umgeben oder mit ihr in Kontakt ist.
4. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Faser (19) oder der Faserkern (30) in
verschiedenen Detektionsbereichen (25) mit verschiedenen
Sensormembranen (20, 21, 22) zumindest annähernd umgeben oder in
Kontakt ist, die ihre Absorptionseigenschaften gasspezifisch
ändern.
5. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß Sender (13) und Empfänger (12) in einem
Sende- und Empfangsbauteil (11) integriert sind.
6. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Fasern (19) vorgesehen sind, die bei Bedarf mit jeweils
unterschiedlichen sensitiven Sensormembranen (20, 21, 22)
zumindest annähernd umgeben oder in Kontakt sind.
7. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Empfänger (12) eine Änderung der Reflektivität oder der
Absorption von elektromagnetischer Strahlung, wie insbesondere
Licht, oder eine Änderung eines vom Sender (13) emittierten
Frequenzspektrums elektromagnetischer Strahlung detektiert, die
innerhalb eines Detektionsbereiches (25) hervorgerufen wird.
8. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Änderung der Reflektivität oder der
Absorption auf einer Änderung des Brechungsindex der
Sensormembran (20, 21, 22) oder einer Änderung der
Transmissionseigenschaften der Faser (19) für elektromagnetische
Strahlung beruht und/oder daß die Änderung des Frequenzspektrums
über den Raman-Effekt oder den Brillouineffekt erfolgt.
9. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Empfänger (12) über eine elektronische Kopplung (14, 15)
und/oder über eine optische Kopplung mit Hilfe eines
Referenzlichtleiters mit dem Sender (13) den Ort der die
Änderung der physikalischen Meßgröße hervorrufenden
Sensormembran (20, 21, 22) ermittelt.
10. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ermittlung des Ortes der die Änderung der physikalischen
Meßgröße hervorrufenden Sensormembran (20, 21, 22) über das
OTDR-Prinzip erfolgt.
11. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ermittlung des Ortes der die physikalische Meßgröße verändernden
Sensormembran (20, 21, 22) aus der Laufzeit der geänderten
physikalischen Meßgröße zwischen Sender (13) und Empfänger (12)
erfolgt.
12. Faseroptischer Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere,
insbesondere parallel laufende Fasern (19) mit jeweils
mindestens einem Detektionsbereich (25) vorgesehen sind, wobei
die Fasern (19) von einem Sende- und Empfangsbauteil (11)
ausgehen und sich die Detektionsbereiche (25) an verschiedenen
Orten befinden.
13. Verwendung eines faseroptischen Sensors mach mindestens
einem der vorangehenden Ansprüche in einem Brandmelder, einem
Luftgütesensor, zur Untersuchung von Abgasen in
Verbrennungsmaschinen, zur Überwachung und Steuerung einer
Verbrennungsanlage oder als Ammoniakmelder.
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