DE2026146A1 - Verfahren zur elektronischen Auswer tung modulierter Lichtbundel - Google Patents

Description

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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:

i^Cl)(t) = i_Q ^KiJ . (1 + COS0 (t)) (1)

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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 kann_s ist. G©g©nsfcandl· ©Ines noch nicht veröffentlichten Vorschlages 'and führt au erhebliehen Verbesserungen der Auswerte-Empfindliehkeit und -Genauigkeit *

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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. „

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Bad

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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-Zelle_s 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« äy2^äeh die OX

- - ■ -m . ^e _ ■

J O .,,. u sä

..,,. λ u. sä

c O ^= H al

cii

- j ' jj cj^ als

WSPECTED

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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), i_p(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 i_o-i_;a i sin0 (t) > q sin (n· u> t + 'A 5 2 3 ο ^- η η

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- 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 + J_n)" . (8)

OO JL JL

- s i_Qsin0 (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« addiert_s su ergibt sich ein Signal der Form . -

ig s J_Qsin (ω% * O₁ + 0(t)) (13)

Dureli Festlegung des Zeitmassstsbes kann ö^ sw Mull gemacht werden so daso niinmehr ein Signal des? F®:?»,

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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

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I Fig. 1 den Verlauf des Lichtbündels bis zu den Photodetektoren,

Fig. 2 die Elektronik zur'Auswertung der in den. Photodetektoren erzeugten elektrischen Signale_s

Fig. 3 ein Bandpass-Filter., und .

Fig. H ein Bandpass-Filter mit -^- -^Phasenschieber»

In Fig. 1 ist ein Laser 4 dargestellt_s 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 6_S beispielsweise einem halbdurchlässigen Spiegel» Auf diese V/eise geht ein erster Teilstrahl su einem Photodetektor 3_S 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 " ■

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S=S ⁽¹⁾ (1 + cos 0(t)} (16).

ίο /

ur.d hiter dem Polarisator 10 ein xntensitätsraodulierter Lichtstrahl mit der Intensität

S₂ = S_o ⁽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?,an^eAusgängen Signale ig_si₇ 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 i_1Q 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 i_1Q zugeführt wird, und der, da bekannt, nicht gezeichnet ist.

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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)

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   Patentansprüche

   Verfahren 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 wircU

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   ORlGtNALINSPECTED

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   J5. 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/Q81S

   L e e r s e i t e