DE2026146A1 - Verfahren zur elektronischen Auswer tung modulierter Lichtbundel - Google Patents
Verfahren zur elektronischen Auswer tung modulierter LichtbundelInfo
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Description
21/70 /
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie,, Baden (Schv;eiz)
Verfahren zur elektronischen Auswertung modulierter Lichtbündel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Auswertung
eines mit einer Messgrösse modulierten Lichtbündeis, von welchem
zwei parallele, zueinander phasenverschobene elektrische Signale
abgeleitet werden, die durch Punktionen mit einem Sinus bsw. Cosinus
mit zu der Messgrösse proportionalem Argument besehrieben werden können, und die zur Erzeugung eines phasenmodulierten Signals
dann in einem Addierglied addiert werden.
Derartige Auswerteverfahren sind z.B. aus der Schweizerischen Patentschrift
^33.065 oder der Deutschen Offenlegungssehrift ·
I.918.73O bekannt. Bei den bekannten Verfahren wird ein Liehtbündel
durch das Magnetfeld eines Hochspannungsleitungs-Wechselstromes auf interferometrischem Wege intensitätsmässig moduliert« Von dem
modulierten Lichtbündel werden dann mittels Photodioden um -5-—
zueinander phasenverschobene elektrische Signale abgeleitet, die
im wesentlichen folgende Form haben:
iCl)(t) = iQ KiJ . (1 + COS0 (t)) (1)
109836/0119
- 2 - 21/70
i(2)(t) = i0 (2) · (1 + sin0 (t)) ' (2)
Dsbei sind i^ und i Konstante, während 0(t) das der zeitlich
veränderlichen, in der Regel sinusoiden Messgrö'&se, dem Lei-·
tungsstrom,proportionale Argument istv*
Ausser der genannten Intensitätsmodulation des Lichtbündels auf
interferometrischem Weg ist es auch bekannt (IEEE J. Quant» El.
QE-2 (1966) 255)s die Polarisationsrichtung eines linear polarisierten
Lichtbündels mittels eines im Magnetfeld des Leitungsstromes angeordneten Faraday-Rotators zu drehen^ das Lichtbündel dann
ir. einem modifizierten Glan-Thornson-Prisma nach zwei zueinander
senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen aufzuspalten, und die
beiden auf diese Weise intensitätsmodulierten Teilstrahlen dann mittels Photodetektoren in elektrische Signale umzusetzen» Die
beiden elektrischen Signale können dann auch durch einen Sinus oder auch Cosinus mit zu der Messgrösse proportionalem Argument
besehrieben werden, jedoch haben die beiden Signale hier eine Phasenverschiebung
um Tf .
Die Abwandlung des letztgenannten bekannten Verfahrens derart,
dass die Phasenverschiebung -—-— beträgt s so dass di© Ausv/erte™
eiektpomdk des aus den guepst genannten Druckschriften bekannten
Verfahrens- verwendet werden kanns ist. G©g©nsfcandl· ©Ines noch nicht
veröffentlichten Vorschlages 'and führt au erhebliehen Verbesserungen
der Auswerte-Empfindliehkeit und -Genauigkeit *
- 3 - 21/70
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren muss jedoch die Trägerfrequenz vcn einem Lokaloszillator erzeugt werden, und müssen Multiplikatoren
zur Mischung der Trägerfrequenz mit den von dem Lichtbühdel abgeleiteten elektrischen Signalen vorgesehen werden. Ausserdem
müssen mitteln der Photodetektoren langsam veränderliche, oder sogar Gleichstromsignale übertragen werden, wodurch wegen des temperaturabhängigen
Dunkelstrcmes der Detektoren, insbesondere infrarot-empfindlicher Germanium-Dioden, erhebliche Messverfälschungen
auftreten können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur elektronischen Auswertung
von in den angegebenen Weisen modulierten Lichtbündeln su schaffen, welches den nachteiligen Einfluss einer Drift der Fotodetektoren
eliminert und gleichzeitig .den technischen Aufwand
vermindert.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Lichtbündel, unabhängig
von der Modulation durch die Messgrösse. periodisch unterbrochen oder geschwächt wird, die beiden elektrischen Signale vor der Addition
jeweils durch ein Filter mit flacher Durchlässcharakteristik im Bereich der Unterbrecher- bzw."■ Se.hwächungsfrevjuenz plus/
minus der maximalen zeitlichen Aehderung des zu.der Messgröss-e" proportionalen
Arguments und einer Grenzfrequenz unterhalb dar zwei-"
fachen Unterbrecher- bzw. Schwächungsfrequenz geführt-'werden, und
eines der beiden elektrischen Signale vor üer Addition noch, durch
sir.cn —?—-Phasenschieber geführt wird. „
109838/0819
Bad
- ή - 21/70
Auf diese Weise wird die Trägerfrequenz durch die mittels der
periodischen unterbrechung oder Schwächung bewirkte Intensitätsmodulation
des Lichtstrahls erzeugt und der Lokaloszillator und die Multiplikatoren 'können entfallen« Die periodische Intensitätsmodulation
kann durch einen elektromechanischen Liehtchopper oder auch durch optische Modulatoren (Pockels-Zelles Kerr-Zelle, Paraday-Modulator)
bewirkt wer-den.
Ausserdem wird der schädliche Einfluss parasitärer Dunkelströme
und Drifte;·:· der Photodioden, die zur Umsetzung des Lichtes in die
elektrischen Signale dienen., vermieden» Bei der erfindungsgemäss
periodischen Intensitätsmodulation ist die Messgrösse statt durch
Gleichstrom-Werte durch die Amplituden des Wechselstromsignals- gegeben.
Mathematisch kann di© Erfindung wie folgt erläufcert
Die beiden ofeea in Qlaielmngen -1I)9(S) dargestellten-elefctrisehen.
Signale ijaMea allgemein fü;? eine niehf? ainusföi'-rßig·© p©r-ioäis&he Unterbrechung
üss LiöSitfeündtels öeüöi^iebe« äy2äeh die OX
- - ■ -m . e _ ■
J O .,,. u
sä
..,,. λ u.
sä
c O ^= H al
cii
- j ' jj cj^ als
WSPECTED
- 5 - 21/70
den Phasenkonstanten derselben.
Die erfindungsgemäss einzusetzenden Filter bewirken nun die Aussperrung
aller Oberwellen, d.h. aller Einzelschwing.ungen mit Frequenzen
grösser/gleich 2O .Damit und mit der Phasenverschiebung
eines elektrischen Signales um —^— ergibt sich dann nach Addition
der beiden Signale ein Signal mit der Trägerfrequenz cJ und
der zur Messgrösse· proportionalen Phase 0(t) , das mit konventionellen Mitteln, insbesondere durch einen Phasendiskriminator,
demodulierbar ist, so dass 0(t) und damit die Messgrösse darge-* stellt werden können. .
Zur Eliminierung der "1" in der ersten Klammer der Gleichungen
(3),(M) werden nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung
die beiden elektrischen Signale i.(t), ip(t) gleichnamigen Eingängen
jeweils eines Verstärkers, beispielsweise eines Operationsverstärkers,
zugeführt, in dessen anderen Eingang ,jeweils ein von
tr " .
dem Lichtbündel nach der Unterbrecher- bzw. Schwächungseinrichtung#
aber vor der Einrichtung zur Umsetzung der von der Messgrösse bewirkten
Modulation in Intensitätsschwankungen, abgeleitetes drittes elektrisches Signal eingeführt wird. Dieses elektrische Signal
hat die Form
i,(t) .= i i3} Z q„sin (n . u t + J) (5).
j
ο Μβ4 η η ...
An den Ausgängen e'er. Verstärker entstehen dann Signale der Fojra
* i COS0 (t) -^L q„ sin (η· ω t + d
J*
_ β io-i_;a i sin0 (t) >
q sin (n· u> t + 'A
5 2 3 ο ^- η η
109836/0811
- 6 -■ . 21/γο
L) = i (2) s i
gemacht wird.
wenn durch Regelung der Verstärkungen i
ο ο ο
Nach Durchgang der Signale durch die Filter ergeben sich Signale
der Form
/- - i COS0 (t)-Q1-SiIi (cJt + Jn)" . (8)
OO JL JL
- s iQsin0 (t^q^sin "(£i t + p.) (9)
oder
•J | O |
2 | |
J | |
O |
/,sin | (Dt + J | x + 0 | (t)> + | sin | ( ω t +J3 |
/cOS | (Wt ♦ <{ | 1 " 0 | (tW- | cos | |
L -0 (t)i](io) | |||||
L 40 (t)jf(ll) |
wobei i ^q1 = J. gesetzt χΐ-urde,
©JE· O
«_L_ -Phasenschieber im Kanal beispielsweise des Signals i„
ergibt ein Signal der Form \.
ig - -~~ f-sin (ijt +.J1 - 0 Ct)) -5- sin
Werden nun die Signale ig - und i« addierts su ergibt sich ein Signal
der Form . -
ig s JQsin (ω% * O1 + 0(t)) (13)
Dureli Festlegung des Zeitmassstsbes kann ö^ sw Mull gemacht werden
so daso niinmehr ein Signal des? F®:?»,
1QS836/ÖS'1!
zur Verfügung steht, aus dem durch Phasendemodulation in kon- ·
ventioneller Weise die zur Messgrö'sse "proportionale "Grb'sse (j^(-t)."
zu gewinnen ist.
Die Filter müssen, wie oben angegeben, so ausgelegt -werden,--dass.
sie im Bereich
eine bezüglich Amplitude und Phase sehr flache Durchlasscharakteristik
aufweisen, also in dem-angegebenen-Frequenz-EasTiich kei-■
ne Amplituden- und keine "Laufzei-tverzerrung ergeb-en« {—s-r-5 „.,.„»
die maximale zeitliche Aenderung des Argußienfees 0 im Sinus bsi-;.
Cosinus der elektrischen Eingangssignal ias propo^'Gional eier,-grossten
in der Messgrösse auftretenden Freqn^uj.^ Entsprechend
muss auch der im zweiten Kanal angeordnete --S^—- «.Ptoasenssnieijetr
für alle in (15) definierten Frequenzen eine exakte —C- - ,Phasenverschiebung
.bewirken, well sonst die- sieh ai^z- .nieten S:\gr.ale den
oben angeführten Gleichungen nicht mehr- entsprechen wtli
Wie sich aus dem Äbtasttheorem ergibt* ist ns füx4 die mög
getreue- Signalübertragung aüsserdem ■ zwe^iOiiäiÄlg,, ütiSa <ji^ Ün-ter*·- " :
brecher- bzw.. Schwächungsfrequenz «» grosser .XsU als der-'icppölte
Wert der maximalen zeitliehen .Aenderung der zu'der Messgrösseproportionalen
Grosse 0, ( )max* .
Die Filter werd-en zweckmässigerweise. als -.Banäpäc:^ ausgeMMet;, ■
Das Filter des einen Kanals kann- mit ue-m Mer i^t^innf «ßn ;Pha~- :
seiiöchieber kombiniert- werden. ' ■ . ; '■ .-".'■" .'';
Nachstehend wird die Erfindung "anhand von in Zeichnungen dai'-ge- ■
stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert», Ε5,£τ'ύ%± ^eigts ■
108636/0819 originaunspected
- 8 - 21/70
I Fig. 1 den Verlauf des Lichtbündels bis zu den Photodetektoren,
Fig. 2 die Elektronik zur'Auswertung der in den. Photodetektoren
erzeugten elektrischen Signales
Fig. 3 ein Bandpass-Filter., und .
Fig. H ein Bandpass-Filter mit -^- -^Phasenschieber»
In Fig. 1 ist ein Laser 4 dargestellts von dem ein Lichtstrahl
zu einem mechanischen Lichtunterbrecher 5 in Form einer rotieren«
den Blende verläuft. Nach Durchtritt durch die rotierende Blende 5 verläuft der Lichtstrahl zu einem Strahlenteiler 6S beispielsweise
einem halbdurchlässigen Spiegel» Auf diese V/eise geht ein erster Teilstrahl su einem Photodetektor 3S beispielsweise einer
Germanium-Diode, und ein zweiter Teilstrahl su dem Sensor 7» Der
Sensor 7 dient zur Modulation des Licht st rahle-s mit der He ss ^r 5sse,
beispielsweise dem Magnetfeld eines Leitungsstromes» Er besteht beispielsweise aus einem Flintglasblock oder einem Yi@-Kri-StJ-Il3,
der im Magnetfeld des Leitungsstromes angeordnet ISt2 und
aufgrund des Faraday-Effektes die Polarisationsrichtung" des linear
polarisierten Laserstrahles um einen dem jeweiligen-Wert der-Messgrd'sse
proportionalen Winkel —-γ— dreht» ■■' - -. . " ·■.
Nach Austritt aus dem Sensor 7 wird der Lichtstrahl" abermals in einem
Strahlenteiler 8 geteilt α Die beiöesi ^eilstrahlen werden
jeweils Polarisatoren 9 bzw» 10 geg©führt» deren Schwingungsrichtungen lsi wesentlichen vm *^-|f~ SM®ina?i'c3©p-!«'©i^Fete sine!«
ter dem Polarisat^s' 9 entsteht damit ein
Lichtstrahl mit ä©p Intensität " ■
- 9 - 21/70
S=S (1) (1 + cos 0(t)} (16).
ίο /
ur.d hiter dem Polarisator 10 ein xntensitätsraodulierter Lichtstrahl
mit der Intensität
S2 = So (2) (1 + sin 0(t)} (17),
wenn der Lichtstrahl nicht durch die rotierende Blende 5 unterbrochen
wird. Die beiden Lichtstrahlen erzeugen in den Photodetektoren 1,2 proportionale elektrische Signale.
Wenn die Blende 5 in Rotation versetzt wird, treten an den Photodioden
1,2,5 die Ströme i-.5i2,i_ geraäss Gleichungen <3)>(*0»(5)
auf. ■
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden die Signale aus den Photodioden
1,2,3 Operationsverstärkern 11,12 in der dargestellten Weise
zugeführt. An den Ausgängen der Verstärker ergeben sich dann Signale
Xj19It- gemäss Gleichungen (6), (7). In den beiden Kanälen sind
dann Bandpass-FlIter 13,1*1 angeordnet?,aneAusgängen Signale igsi7
gemäss Gleichungen (8).(9) auftreten. Der Phasenschieber 15 im
zweiten Kanal bewirkt dann ein Signal ig gemäss Gleichung (12),
Durch Addition im Adäierglied 16 ergibt sich ein Strom i1Q gemäss
Gleichung (I1S), wenn die Phasenkonstante o, der Grundsehwingung
der* Unterbrecherf unkt ion gleich Null gemacht wird. Dies geschieht durch entsprechenden Abgleich der Phase des Referenzsignals
beim Phasendiskriminator, dem das Signal i1Q zugeführt wird,
und der, da bekannt, nicht gezeichnet ist.
109836/0819
- 10 - 21/70
In Fig. 3 ist ein Bandpass-Filter dargestellt, wie es beispielsweise
bei 13 in Pig« 2 eingesetzt werden kann. Die Anordnung der Einzelelemente ist bekannte Z0B. aus P0E, Termann, Radio
Engineer's Handbook, McGraw Kill 1943s, pp„ 154-172<, Das Bandpass-Filter
umfasst den Prinärresonanzkreis 21923 und den Dämpfungswiderstand
2O9 sowie den Sekundärresonanzkreis 179l8 und
den Dämpfungswiderstand 19. Die Kopplung wird von der Kapazität 22 bewirkt.
Durch eine einfache Abwandlung der Schaltung gemäos Fig. 3* nämlich
Paralleleinspeisung des Primär-Resonanzkreises in die Anzapfung
der Spule 21 über den Dämpfungswiderstand 2O2, lassen sich
Bandpass 14 und Phasenschieber 15 gemäss Figo 2 vorteilhaft in einem Netzwerk vereinigen»
Claims (1)
- - 11 - 21/70PatentansprücheVerfahren zur elektronischen Auswertung eines mit ei»©!? Messgrösse modulierten Lichtbündels, von welchem zwei parallele, zueinander phasenverschobene elektrische Signale abgeleitet werden^ die durch Funktionen mit einem Sinus bzw. Cosinus" mit zu der Mess«- grösse proportionalem Argument, beschrieben werden können^ und die/ zur Erzeugung eines phasenmodulierten Signals dann in einem Äddierglied addiert werden, dadurch gekennzeichnet,, dass das Liciitbündel, unabhängig von der Modulation durch die Messgrösse9 periodisch unterbdrchen oder geschwächt (5) wird, die beiden elektrischen Signale vor der Addition (16) Jeweils durch ein Filter (13,14) mit flacher Durchlasscharakteristik im Bereich der Unterbrecher» bzw. Schwächungsfrequenz (U/) plus/minus der maximalen zeitlichen Aenderung des zu der Messgrösse ,proportionalen Argumentes {{———»-).■■■'■■ öt) und einer Grenzfrequenz unterhalb der zwelfaehsR !Interfere chermax
bzw. Schwächungsfrequenz (?ju ) geführt .werden, und eines des? Beiden■ ' ■ ■ ■ ■ - ■ ■. ■ ' ' ' f elektrischen Signale vor "der Addition noch durch einen —-w-— Eha» " sensehieber (15) geführt wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichne t« -dass "die üen elektrischen Signale gleichnamigen SingängMi; Jeweils eines Verstärkers (11|12) zugeführt werden, in dessei* aud^r-xi Siagaag jeweils ein von dem Liehtbündel nach der ilaterbrocheyeiiiriehtimg (5), aber vor der Einrichtung (9*10) zur* Umsetzung der '•'ton der Messgrösse bewirkten Modulation in Intensitätssohwantiaßigen, abgeleitetes drittes elektrisches Signal eingeführt wircU109836/0819.ORlGtNALINSPECTED- 12 - 21/70J5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* dass die Filter (13,14) als Bandpass ausgebildet werden»4. Verfahren nach Anspruch I9 dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der beiden elektrischen Signale auf die gleiche Grb'sse (i ) geregelt werden.5. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Amplitude des dritten elektrischen Signals gleich der Grosse der Amplituden der beiden ersten elektrischen Signale gemacht wird.6. Verfahren nach Anspruch I0 dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkonstante (O1) der Grundschwingung (q^ sintut) der Funktion der periodischen Liehtunterbreehung-bzw«»Schwächung gleich Null gemacht wird·7; Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch J9 dadurch gekennzeiehnet, dass die ünterbrecher-bzw» -Schwächungsfrequenz (CU) grosser ist als der doppelte Wert der maximalen zeitlichen Aenderung des zu der Messgrösse proportionalen Argumentes ((--sfr=1) ,_.,„)·"8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass Filter (14) und Phasenschieber (15) in einem Hetzwerk vereinigt werden.Aktiengesellschaft Brown» Boveri & Cie·108S3S/Q81SL e e r s e i t e
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