DE29510289U1

DE29510289U1 - Faseroptischer Sensor

Info

Publication number: DE29510289U1
Application number: DE29510289U
Authority: DE
Original assignee: EUROSPACE TECH ENTWICKLUNGEN G
Current assignee: EUROSPACE TECH ENTWICKLUNGEN G
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2005-06-28

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor, insbesondere zur Ortsfilter-Anemometrie, umfassend ein Differenzgitter bildende, auf einer Gitterachse liegende, Gitterelemente darstellende Lichtleitfasern, welche mit mindestens einem optoelektronischen Empfänger zusammenwirken, sowie Beleuchtungs-Lichtleitfasern.

Aus der DE-OS 28 09 355 ist eine optoelektronische Geschwindigkeits-Meßeinrichtung nach dem Ortsfilter-Verfahren bekannt, wobei dort zwei Gruppen von Lichtleitfasern vorhanden sind. Die Gruppen von Lichtleitfasern sind einseitig zusammengefaßt und mit einem Photodetektor verbunden. Die übrigen Enden der Lichtleitfasern sind in einer Reihe angeordnet, und zwar derart, daß abwechselnd Lichtleiter "üer einen und Lichtleiter der anderen Gruppe vorgesehen sind.

Mit einer derartigen faseroptischen Sensoranordnung soll die Geschwindigkeit eines bewegten Objektes relativ zu einem festen Bezugspunkt auch bei einem relativ geringen Objektabstand meßbar sein.

Bei derartigen Anordnungen ist nachteilig, daß die Empfindlichkeit aufgrund des begrenzten optischen Signales, welches vom zu vermessenden Objekt ausgeht bzw. reflektiert wird, begrenzt ist.

Es wurde daher beispielsweise in der DD 24 31 19 Al vorgeschlagen, ein faseroptisches Ortsfilter als Differenzgitter so weiterzubilden, daß zusätzlich zu den

Gitterelementen, die aus Sensorfasern bestehen, Beleuchtungs-Lichtleitfasern vorzusehen sind, welche auf der gemeinsamen Gitterachse, vorzugsweise zwischen den Gitterelementen des Differenzgitters, angeordnet sind.
5

Hierdurch soll die Signalgüte erhöht und die Meßergebnisse verbessert werden.

Insbesondere wird zur Vermeidung von niederfrequenten Störungen und Oberwellen das faseroptische Ortsfilter doppelt ausgeführt und in Richtung der Gitterachse um eine halbe Periode versetzt. Für die Betriebsart Lichtreflexionsmessung wird mit Hilfe einer entsprechenden Beleuchtung des Objektes mittels der Beleuchtungs-Lichtleitfasern die Signalgüte verbessert. 15

Nachteilig ist bei der Lösung gemäß DD 24 31 19 Al die Tatsache, daß durch die zwischengeschaltete Anordnung von Beleuchtungs-Lichtleitfasern der Sensorkopf eine räumliche Vergrößerung erfährt und nur eine unzureichende Homogenität bei der Ausleuchtung hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit zu vermessender Objekte vorliegt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischen Sensor insbesondere zur Ortsfilter-Anemometrie anzugeben, welcher es im Reflexionsbetrieb gestattet, eine exakte Geschwindigkeitsmessung auch sehr kleiner Teilchen oder von Teilchen mit ungünstigen Reflexionseigenschaften in einem weiten Bereich Geschwindigkeitsmessungen dieser Teilchen oder Objekte durchzuführen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem faseroptischen Sensor nach den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Nach dem ersten Grundgedanken der Erfindung wird der bekannte faseroptische Sensor insbesondere zur Ortsfilter-Anemometrie, umfassend ein Differenzgitter bildende Lichtleitfasern sowie

• ·

Beleuchtungs-Lichtleitfasern, so weitergebildet, daß die Beleuchtungs-Lichtleitfasern der Gitterachse der Gitterelemente des Differenzgitters derart benachbart angeordnet werden, daß mindestens eine weitere Achse vorgesehen ist, die der Gitterachse parallel liegt. Auf dieser mindestens einen parallelen Achse sind dann die vorerwähnten Beleuchtungs-Lichtleitfasern in einer Ausführungsform um den halben Abstand zwischen den Gitterelementen versetzt angeordnet.

Darüber hinaus wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Gitterachse beidseitig parallel liegend jeweils eine weitere Achse gebildet, auf welcher Beleuchtungs-Lichtleitfasern entweder in Höhe der Gitterelemente des Ortsfilters oder alternierend gegenüberliegend versetzt auf beiden zusätzlichen Achsen angeordnet sind.

Gemäß einem nächsten Grundgedanken der Erfindung wird die Wellenlänge der zur Beleuchtung verwendeten Strahlung bei zwei Beleuchtungslichtleitfaserachsen auf jeder Achse unterschiedlich gewählt, so daß eine Kantenbeleuchtung möglich ist und der faseroptische Sensor durch sich ausbildende Farbgrenzen z. B. bezogen auf ein Kapillargefäß justiert, d. Ji, in eine zum Gefäß parallele Lage gebracht werden kann.

Zusätzlich kann in einer Ausführungsform die an sich bekannte Anordnung von Beleuchtungs-Lichtleitfasern zwischen den durch eine Gitterkonstante festgelegten Gitterelementen auf einer gemeinsamen Gitterachse mit einer zusätzlichen Anordnung von Beleuchtungs-Lichtleitfasern auf zur Gitterachse parallelen 0 Achsen in der vorstehend beschriebenen Weise kombiniert werden.

Zusammenfassend wird erfindungsgemäß eine Anordnung von Beleuchtungs-Lichtleitfasern und Gitterfasern linear auf jeweils einer Achse vorgenommen, wobei die Beleuchtungs-Lichtleitfasern seitlich versetzt jeweils auf einer Achse, die nicht auf der Gitterachse liegt, positioniert werden.

Dieser seitliche Versatz kann derart erfolgen, daß die Beleuchtungs-Lichtleitfasern einerseits zwischen den Gitterfasern, andererseits aber auch auf gleicher Höhe mit diesen befindlich sind.
5

Hierdurch ist eine Verkleinerung des faseroptischen Sensors bzw. Sensorkopfes möglich, so daß auch Strömungen kleinerer Partikel erfaßt werden können. Zusätzlich ergibt sich eine Verbesserung der Homogenität der Beleuchtung im Vergleich zu bekannten Sensoren. Darüber hinaus ist die Ausbildung der alternierenden Struktur z. B. in Form einer Z- oder Sägezahnstruktur technologisch leichter umzusetzen, indem V-förmige Ätzgräben auf einem Substrat ausgebildet werden, und in diese Ätzgräben Beleuchtungs-Lichtleitfasern eingesetzt werden.

Zusätzlich kann durch die unterschiedlichen Wellenlängen der Beleuchtungsstrahlung auf unterschiedliche Partikel bzw. unterschiedliche Reflektionseigenschaften der zu untersuchenden Partikel Bezug genommen werden und eine leichtere Justage der Gitterfasern bezogen auf die Strömungsrichtung eines Mediums, das zu untersuchende Partikel enthält, erfolgen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. la die Darstellung eines faseroptischen Sensors zur 0 Ortsfilter-Anemometrie mit Beleuchtungs-Lichtleit

fasern, welche parallel zur Achse der Gitterelemente des Differenzgitters, jedoch auf gleicher Höhe der Gitterelemente liegend, angeordnet sind;

Fig. Ib ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in Fig. la

gezeigt, jedoch mit bezogen auf die Gitterelemente des Differenzgitters versetzt angeordneten Beleuchtungs-Lichtleitfasern;

Fig. 2a die Anordnung von Beleuchtungs-Lichtleitfasern auf zwei jeweils parallelen Achsen, welche von der eigentlichen Gitterachse jeweils seitlich beabstandet sind; und

Fig. 2b eine Anordnung ähnlich Fig. 2a, jedoch mit jeweils bezogen auf die eigentlichen Gitterelemente des Differenzgitters versetzt angeordneten Beleuchtungs-Lichtleitfasern.

Der faseroptische Sensor gemäß den nachstehend geschilderten Ausführungsbeispielen wird zur Messung von lokalen, eindimensionalen Geschwindigkeiten, z. B. in der Umweltmeßtechnik zur Bestimmung von relativen Staubkonzentrationen, bei der Maschinen- und Anlagenautomatisierung zur Überwachung des Kühlmittelflusses, in der Verfahrenstechnik zur Messung von Blasengeschwindigkeiten, bei der Fördertechnik zur Überwachung von Mindesttransportgeschwindigkeiten beim pneumatisehen Transport, in der Kraftwerkstechnik zur Erfassung von Schüttgutdurchsätzen, in der Fahrzeugtechnik zur Überwachung von Flüssigkeitskreisläufen sowie in der Biomedizin genutzt.

Das verwendete Grundprinzip der faseroptischen Ortsfilter-Anemometrie ist eine spezielle Form des bekannten Ortsfilter-Verfahrens. Hierfür wird eine gitterförmige Anordnung von Lichtleitfasern zur Bildung eines Sensorkopfes verwendet. Das auf die Lichtleitfasern fallende Intensitätsmuster, erzeugt durch die Bewegung von Teilchen in dispersen Mehrphasen-0 strömungen oder optischen Inhomogenitäten einer Meßgutoberfläche, wird an photosensitive Detektoren weitergeleitet.

Bekanntermaßen ermöglicht die Verwendung von Lichtleitfasern einen miniaturisierten Aufbau derartiger Sensoren. 35

Die durch das Meßvolumen bewegten Teilchen werden durch das von ihnen reflektierte Licht auf dem Gitter des Sensors abgebildet. Diese Teilchen erzeugen eine Reihe von Licht-

xo

impulsen. Die Information über die Teilchengeschwindigkeit ist in der Frequenz des am jeweiligen photoempfindlichen Detektor hinter dem Gitter aufgefangenen Signals enthalten. Die dominierende Frequenz des Wechselanteiles des Signals ist die der Objektgeschwindigkeit proportionale Meßgröße. Diese dominierende oder Zentralfrequenz des detektierten Signals kann über Fouriertransformation der Autokorrelationsfunktion ermittelt werden.

Das eigentliche Sensorsystem besteht aus einem Sensorkopf, enthaltend einen faseroptischen Sensor, einen elektronischen Wandler- und Verstärkerbaustein sowie eine Datenerfassungsund Frequenzanalyseeinheit.

Die nachstehend beschriebenen Beleuchtungs-Lichtle'itfasern weisen beispielsweise einen Durchmesser von 150 &mgr;&khgr;&agr; auf und dienen als Sendefasern zur differentiellen Einkoppelung des Lichtes bzw. der Strahlung in das Meßvolumen.

0 Die Empfangslichtleitfasern bzw. die ein Differenzgitter bildenden Lichtleitfasern weisen beispielsweise einen Durchmesser von 60 &mgr;&tgr;&eegr; auf. —

Zur Unterdrückung des niederfrequenten Störanteiles und des modulierten Fremdlichtes werden die Empfangslichtleitfasern wie erwähnt als Differenzgitter ausgebildet, welches aus zwei um eine halbe Gitterkonstante versetzten Einfachgittern besteht. Beispielsweise beträgt die Gitterkonstante 126 ßm. Die auf die Detektoren gelangenden optischen Signale werden 0 gewandelt, verstärkt und mittels eines Mikrocomputers erfaßt und ausgewertet.

Gemäß den Figuren la und Ib ist auf einer Gitterachse GA eine Vielzahl von ein Differenzgitter bildenden Lichtleitfasern 1, nachfolgend als Empfängerlichtleitfasern bezeichnet, angeordnet.

Die Anordnung der Empfängerlichtleitfasern 1 kann eng benachbart, jedoch auch entsprechend der gewünschten Gitterkonstante, die wiederum von den zu vermessenden Teilchengrößen abhängt, vorgenommen werden. 5

Auf einer weiteren Achse, nämlich der Beleuchtungs-Lichtleitfaserachse BA, ist eine Vielzahl von Beleuchtungs-Lichtleitfasern vorhanden.

Die Achsen GA und BA sind voneinander beabstandet, jedoch können in Abhängigkeit vom Durchmesser der jeweils verwendeten Empfängerlichtleitfasern 1 bzw. Beleuchtungs-Lichtleitfasern 2 die Achsen relativ dicht aneinanderliegend ausgebildet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur la befinden sich die einzelnen Beleuchtungs-Lichtleitfasern 2 auf gleicher Höhe zu zugeordneten Empfängerlichtleitfasern.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ib wird von einer prinzipiell ähnlichen Anordnung wie zu Figur la beschrieben ausgegangen. Jedoch sind die Beleuchtungs-Lichtleitfasern- 2 bezogen auf die Empfängerlichtleitfasern 1 versetzt angeordnet dergestalt, daß sich die Beleuchtungs-Lichtleitfasern 2 quasi seitlich zwischen den Empfängerlichtleitfasern 1 befinden.

Auch bei dieser Ausführungsform können die Achsen GA und BA einander angenähert werden, wobei sich dann eine nahezu kom-0 pakte Anordnung jeweils eines Tripeis aus einer Beleuchtungs-Lichtleitfaser 2 und von zwei angrenzenden Empfängerlichtleitfasern 1 ergibt.

In Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Figur la zeigt Figur 2a die Anordnung von Beleuchtungs-Lichtleitfasern 2 auf je einer Achse BA und BA¹, welche jeweils seitlich von der Achse GA der Empfängerlichtleitfasern 1 angeordnet sind.

• ·

• ···* *~· 8;—5 * "3 J

Ausgestaltend können die Beleuchtungs-Lichtleitfasern 2 auf der Achse BA Strahlung einer anderen Wellenlänge emittieren als diejenigen, welche auf der Achse BA¹ angeordnet sind. 5

Die alternierend jeweils auf einer benachbarten, zur Gitterachse GA parallel befindlichen Achse BA und BA' angeordneten Beleuchtungs-Lichtleitfasern gemäß Figur 2b sind seitlich versetzt, quasi in den seitlichen Zwischenräumen der Empfängerlichtleitfasern befindlich.

Insbesondere dann, wenn die Beleuchtungs-Lichtleitfasern bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2b einen größeren Durchmesser aufweisen, ist es möglich, Licht ausreichender und hoher Intensität auszusenden, welches dann im "Reflexionsbetrieb von den Empfangerlichtleitfasern 1 aufgenommen wird, so daß insgesamt eine große Signalgüte mit verbesserten Signalrauschverhältnissen am Ausgang des faseroptischen Sensors erhalten wird.

Insgesamt läßt sich mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen im Vergleich zu den Anordnungen, bei denen auf der ~ Gitterachse GA zwischen den Empfangslichtleitfasern Beleuchtungs-Lichtleitfasern angeordnet sind, ein kompakterer Aufbau des Sensors erzielen,, da dieser eine geringere Ausdehnung in Längsrichtung der Achsen GA bzw. BA aufweist.

Es liegt jedoch im Sinne der Erfindung, eine Kombination einer derartigen, zwischen den Empfangslichtleitfasern angeordneten Beleuchtungs-Lichtleitfasern mit zusätzlichen, zur Gitterachse GA auf parallelen Achsen BA oder BA¹ angeordneten Beleuchtungs-Lichtleitfasern vorzunehmen, um auf das zu untersuchende Medium Strahlung höherer Intensität und/oder gleichzeitig unterschiedlicher Wellenlänge aufbringen zu können.

Claims

Schutzansprüche

1. Faseroptischer Sensor, insbesondere zur Ortsfilter-Anemometrie, umfassend ein Differenzgitter bildende, auf einer Gitterachse liegende, Gitterelemente darstellende Lichtleitfasern, welche mit mindestens einem optoelektronischen Empfänger zusammenwirken, sowie Beleuchtungs-Lichtleitfasern,

dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungs-Lichtleitfasern (2) auf mindestens einer der Gitterachse (GA) im wesentlichen parallelen, beabstandeten Achse (BA, BA¹) angeordnet sind.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Beleuchtungs-Lichtleitfasern (1) um den halben Abstand zwischen den Gitterelemente darstellenden benachbarten Lichtleitfasern (1) versetzt angeordnet sind.

0

3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Beleuchtungs-Lichtleitfasern (2) jeweils _- beidseitig auf jeweils einer der Gitterachse parallelen, benachbarten Achse (BA; BA¹) angeordnet sind.

4. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Beleuchtungs-Lichtleitfasern (2) jeweils auf einer der beiden der Gitterachse (GA) parallelen Achsen (BA; BA¹) alternierend um jeweils den halben Abstand zwischen den Gitterelemente bildenden benachbarten Lichtleitfasern (1) angeordnet sind.

5. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die jeweils auf einer Achse angeordneten Beleuchtungs-Lichtleitfasern Strahlung jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren.

6. Faseroptischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß zusätzlich zwischen den ein Differenzgitter bildenden Lichtleitfasern (1) auf der Gitterachse Beleuchtungs-Lichtleitfasern (2) angeordnet sind.