DE3127379C2

DE3127379C2 - Anordnung zur Erfassung und Übertragung von Sensordaten

Info

Publication number: DE3127379C2
Application number: DE3127379A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 8033 Krailling Baues; Walter Prof. Dr.Rer.Nat. 8011 Neukeferloh Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1981-07-10
Publication date: 1987-02-12
Also published as: DE3127379A1; JPS5816398A

Abstract

Für die Übertragung von Meßwerten über Lichtwellenleiter kommen eine Reihe von Einsatzgebieten in Frage. Hierzu zählen beispielsweise die Fertigungs- und Prozeßkontrolle in der Industrie, die Militärtechnik, z.B. im Hinblick auf Fahrzeuge und Flugkörper, und die Verkehrstechnik, z.B. bei der Steuerung von Motoren. Es liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Netzwerk zur Übertragung von Sensordaten zu schaffen, das die bekannten Vorteile der Anwendung von Lichtwellenleitern ausnutzt und derart konzipiert ist, daß es universell zum Abtasten und Übertragen unterschiedlicher Meßgrößen geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch ein optisches Netz mit Moduln gelöst, bestehend aus Sensoren verschiedener Art, welche durch Einwirken einer Meßgröße ein elektrisches Signal abgeben, das dem Steuereingang eines elektrooptischen Lichtmodulators zugeführt wird, der daraufhin ihm zugeführte unmodulierte Lichtleistung in modulierte Lichtleistung, wobei der Grad der Modulation die einwirkende Meßgröße repräsentiert, überführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung und Übertragung von Sensordaten mit mindestens einem Modul, der einen Sensor enthält, der bei Einwirken einer Meßgröße auf sich ein elektrisches Signal abgibt, wobei dieses elektrische Signal einen Lichtmodulator steuert, dem eine unmodulierte Lichtleistung über einen Eingangslichtwellenleiter zugeführt wird und wobei die modulierte Lichtleistung über einen Ausgangslichtwellenleiter entnommen und mittels eines opto-elektrischen Wandlers in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
Für die Übertragung von Meßwerten über Lichtwellenleiter kommen eine Reihe von Einsatzgebieten in Frage. Hierzu zählen beispielsweise die Fertigungs- und Prozeßkontrolle in der Industrie, die Militärtechnik, z. B. im Hinblick auf Fahrzeuge und Flugkörper, und die Verkehrstechnik, z. B. bei der Steuerung von Motoren.
Die Vorteile für die Anwendung von Lichtwellenleitern in diesen Gebieten sind: Störunempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Strahlung im gesamten elektrischen und optischen Spektralbereich, Einsatzmöglichkeiten bei hohen elektrischen Potentialdifferenzen und in explosionsgefährdeten Gebieten, sowie Beständigkeit gegen die meisten aggressiven chemischen Substanzen sowie geringes Gewicht.
Bei dem derzeit üblichen eingeprägten 20-mA-Signal für die Meßwertübertragung gemäß einem bekannten Übertragungssytem kommt man bereits nach Leitungslängen von ca. 500 m wegen des nicht zu vernachlässigenden Leitungswiderstandes auf hohe Spannungspegel, die sich nachteilig auf Netzgerätekosten (hoher Leistungsbedarf) und Weiterverarbeitung auswirken.
Demgegenüber können Lichtwellenleiter aufgrund der geringen Dämpfungen von ca. 1 dB/km bis 5 dB/km Signale über weit größere Entfernungen übertragen.
Aus der DE-OS 29 03 821 ist bereits eine Vorrichtung zur Erfassung und Messung nichtoptischer Meßgrößen mit optischen Mitteln bekannt, die einen Sender zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einen über eine optische Übertragungsstrecke mit dem Sender verbundenen optischen Meßwandler mit einem entsprechend den zu erfassenden Meßgrößen modulierbaren Lichtstrahldämpfer im Strahlengang des Lichtstrahls und einen über eine optische Übertragungsstrecke mit dem optischen Meßwandler verbundenen optoelektrischen Wandler mit einer Einrichtung zur Demodulation des modulierten Lichtstrahls und einer Einrichtung zur Meßwertanzeige aufweist.
Aus der DE-OS 27 45 770 ist ein Verfahren zum berührungslosen Übertragen von Signalen von einem ersten auf ein zweites Bauelement, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind, insbesondere von einem Rotor auf einen Stator einer Maschine bekannt. Hierbei wird einer elektrischen Meßanordnung, beispielsweise einem Temperaturfühler, Energie aus einer Lichtquelle über einen Lichtleiter zugeführt, die dann moduliert über einen Lichtsender und einen lichtempfindlichen Detektor zu einem Decoder gelangt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unempfindlich gegen Störungen aller Art ist und dabei eine Übertragung der Meßwerte über längere Leitungswege ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegegebenen Merkmale charakterisiert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße vorteilhafte Anordnung besteht zunächst aus einer Einrichtung zur elektrisch-optischen Energiewandlung, aus der Lichtleistung in einen Lichtwellenleiter eingespeist wird. Diese Lichtleistung wird über einen elektrooptischen Lichtmodulator, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft eines Sensors befindet, und einen zweiten Lichtwellenleiter zum Verwendungsort der Meßgröße zurückgeführt. Hier wird eine optisch-elektrische Wandlung vorgenommen, um die Meßgröße weiteren elektrischen Verarbeitungseinrichtungen zuführen zu können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Anordnung eines Moduls M, in dem ein Sensor beliebiger Art, der durch Einwirken einer Meßgröße ein elektrisches Signal abgibt, vorgesehen ist, wobei dieses elektrische Signal auf den Steuereingang eines Lichtmodulators zum Modulieren einer Lichtleistung geführt wird.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines Blockschaltbildes für ein optisches Netz gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Vielzahl von Moduln M ₁ . . . M _n mit einer Rechenanlage R zusammenwirken.
Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 einen Modul M, in dem ein Sensor 1 zum Abtasten einer Meßgröße MG vorgesehen ist. Der Sensor 1 weist Signalausgangspunkte 1 ₁ u. 1 ₂ auf, über denen entsprechend der einwirkenden Meßgröße MG ein elektrisches Signal in Form einer Spannung, die die Meßgröße repräsentiert, auftritt. Dieses Signal S wird einem Lichtmodulator 2 über dessen Steueranschlußpunkte 2 ₁ u. 2 ₂ zugeführt. Der Lichtmodulator 2 empfängt eine unmodulierte Lichtleistung L über einen Eingangslichtwellenleiter 3 und gibt eine modulierte Lichtleistung L&min; über einen Ausgangslichtwellenleiter 4 ab. Die Modulation der Lichtleistung entspricht dabei der jeweiligen Meßgröße. Der Eingangslichtwellenleiter 3 empfängt die unmodulierte Lichtleistung L aus einem elektrooptischen Wandler 30, dem ein elektrisches Eingangssignal e über einen Signaleingang E zugeführt wird. Der Ausgangslichtwellenleiter 4 gibt die modulierte Lichtleistung L&min; an einen optoelektrischen Wandler ab, der seinerseits ein elektrisches Ausgangssignal a an einen Signalausgang A weiterleitet.
Wie Fig. 2 zeigt, können mehrere Moduln M ₁ . . . M _n auf eine gemeinsame Einrichtung, beispielsweise eine Rechenanlage R, wirken. Die Moduln sind dazu mit ihren Signaleingängen/-ausgängen A/E an jeweils individuelle Schnittstellenschaltungen 5 ₁ . . . 5 _n angeschlossen, die ihrerseits mit einer Datenempfangs- und Verarbeitungseinrichtung 5 verbunden sind. Die Schnittstellenschaltungen 5 ₁ . . . 5 _n und die Datenempfangs- und Verarbeitungseinrichtung 5 können, wie dies beispielhaft in Fig. 2 gezeigt ist, Bestandteile einer Rechenanlage R sein. Es sind mit dem erfindungsgemäßen optischen Netz jedoch - ohne dabei den Rahmen der Erfindung verlassen zu müssen - völlig andersartige Netzstrukturen mit andersartigen gemeinsamen Einrichtungen realisierbar.
Der elektrooptische Modulator kann ein elektrooptischer Braggablenker für optische Oberflächenwellen oder ein Monomodewellenleitermodulator sein.
Die von diesen Modulatoren benötigten Spannungen liegen im Millivolt- bis Voltbereich. Diese Spannung wird dem Modulator von einem Sensor zugeführt, der die zu messende Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. Häufig benötigt werden z. B. Meßwerte von Position, Geschwindigkeit, Drehzahl, Stückzahl, Temperatur, Druck, Schalldruck, Winkel, Strahlung etc. Es gibt eine Fülle von Sensoren, die diese Meßgrößen in elektrische Signale umsetzen, die für den Anschluß an den elektrooptischen Modulator geeignet sind. Physikalische Effekte, die hierfür z. B. genutzt werden, sind der Piezoeffekt, der Photoeffekt, der Halleffekt, der pyroelektrische Effekt, der Dopplereffekt etc. .
Wichtig ist, daß der Sensor der Meßgröße eine ausreichende Menge Energie entzieht, um den elektrooptischen Modulator anzusteuern. Diese Energie ist allerdings äußerst gering, denn der elektrooptische Modulator stellt, elektrisch gesehen, eine sehr kleine Kapazität im Pikofaradbereich dar. Die Steuerung des Lichtdurchganges durch den Modulator erfolgt verlustfrei.
Die Lichtwellenleiter können Stufenprofil-, Gradientenoder Monomodewellenleiter sein. Dickkernfasern mit besonders großem Kernquerschnitt kommen gleichfalls infrage.
Die Einrichtung zur Umwandlung elektrischer in optische Leistung am Eingang können Lichtsender der verschiedensten Art sein: Laser jeder Art, darunter Halbleiterlaser, Festkörperlaser, Glaslaser sowie Lumineszenzdioden. Zur Herstellung von Halbleiterlasern, vgl. beispielsweise Panish, M. B.: "Heterojunction Lasers", IEEE MTT-23 (1975), S. 20-30 und Lumineszenzdioden, vgl. beispielsweise Lebailly, J.: "Situation des diodes electroluminescentes pour liaisons par fibres optiques", Acta Electronica 22 (1979), Nr. 4, 301-310, werden je nach Lichtwellenlänge verschiedene Materialien für den Emissionsbereich benutzt, z. B. ternäre Halbleiter wie (GaA1)As oder (InGa)As bzw. quaternäre Halbleiter wie (GaIn) (AsP), vgl. beispielsweise Heinlein, W.; Witte, K. H.: "Digitale Übertragung über optische Wellenleiter im Wellenlängenbereich oberhalb 1 µm", Frequenz 32 (1978), No. 3, 79-84. Für Lumineszenzdioden kommen auch binäre Halbleiter wie GaP infrage. Glaslaser sind z. B. He-Ne-Laser.
Zur Umwandlung der optisch empfangenen Meßgrößen in ein elektrisches Signal werden Photodioden oder Avalanchephotodioden, möglicherweise mit nachgeschalteter Verstärkung benutzt. Die Photodioden bestehen meist aus Silizium, vgl. beispielsweise Melchior, H.: "Sensitive high speed photodetectors für the demodulation of visible and near infrared light", J. Luminescence 7 (1973), S. 390-414, aber auch Germaniumphotodioden, vgl. beispielsweise Ando, H.; Kanbe, H.; Kimura, T.; Yamaoka, T.; Kaneda, T.: " Characteristics of Germanium Avalanche Photdiodes in theWavelength Region of 1-1.6 µm," IEEE QE-14 (1978), No. 11, S. 804-809, für größere Wellenlängen des Lichtes kommen infrage. Wie die Laser- und Lumineszenzdioden können die Photodioden auch aus ternären oder quaternären Halbleitern (s. o.) hergestellt werden, vgl. beispielsweise Lebailly, J.: "Situation des diodes electroluminescentes pour liaisons par fibres optiques," Acta Electronica 22 (1979), Nr. 4, S. 301-310 und Heinlein, W.; Witte, K. H.: "Digitale Übertragung über optische Wellenleiter im Wellenlängenbereich oberhalb 1 µm", Frequenz 32 (1978), Nr. 3, S. 79-84.

Claims

1. Anordnung zur Erfassung und Übertragung von Sensordaten mit mindestens einem Modul (M), der einen Sensor enthält, der bei Einwirken einer Meßgröße auf sich ein elektrisches Signal abgibt, wobei dieses elektrische Signal einen Lichtmodulator (2) steuert, dem eine unmodulierte Lichtleistung (11) über einen Eingangslichtwellenleiter (3) zugeführt wird und wobei die modulierte Lichtleistung (L&min;) über einen Ausgangslichtwellenleiter (4) entnommen und mittels eines opto-elektrischen Wandlers (40) in ein elektrisches Ausgangssignal (a) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Sensoren (1) von der Art sind, die die Meßgröße (MG) unmittelbar in das elektrische Signal (S) umwandeln,
daß der Lichtmodulator (2) nahezu verlustfrei elektrisch steuerbar ist,
und daß der Sensor (1) und der Lichtmodulator (2) unmittelbar benachbart angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch steuerbare Lichtmodulator (2) ein Bragg-Ablenker ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch steuerbare Lichtmodulator (2) ein Monomode-Lichtwellenleitermodulator ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Piezoeffekt- Sensor ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Photoeffekt- Sensor ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Halleffekt- Sensor ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein auf dem pyroelektrischen Effekt basierender Sensor ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der Scheinwiderstände des Sensors (1) und des elektrooptischen Lichtmodulators (2) ein Anpassungsglied, beispielsweise ein Spannungswandler, zwischen den Sensor (1) und den elektrooptischen Lichtmodulator (2) geschaltet ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Moduln (M ₁, M ₂ . . . M _n) vorgesehen sind, die jeweils über eine individuelle zugeordnete Schnittstellenschaltung (5 ₁, 5 ₂ . . . 5 _n) an individuelle Signaleingänge einer Datenempfangs- und Verarbeitungseinrichtung (5) angeschlossen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellenschaltungen (5 ₁, 5 ₂ . . . 5 _n) und die Datenempfangs- und Verarbeitungseinrichtung (5) Bestandteile einer Rechenanlage (R) sind.