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Ausgehend von dem oben erörterten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung der eingangs genannten Art
zu schaffen, die druckempfindlich ist und sich durch eine hohe Auflösung und eine
Temperaturkompensation auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitt
auf der einen Seite des flachen, durch Druck elastisch verformbaren Sensorkörpers
befestigt ist, und daß auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des flachen Sensorkörpers
ein zweiter Lichtwellenleiterabschnitt befestigt ist, der den optischen Resonator
eines zweiten Interferometers bildet, das über eine zweite Einkopplungsfaser mit
Laserlicht versorgt ist und über eine zweite Auskopplungsfaser mit der Lichtdetektoranordnung
verbunden ist.
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Dadurch, daß mechanische Verformungen des Sensorkörpers unterschiedliche
Verstimmungen der Resonatorlänge der beiden Fabry-Perot-Interferometer hervorrufen,
während Temperaturänderungen gleichsinnige Verstimmungen der optischen Resonatorlänge
bewirken, ist es möglich, durch Auswerten der Differenz der Signale der beiden Interferometer
ein temperaturkompensiertes Signal für die Druckmessung bereitzustellen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Einrichtung gemäß der
Erfindung mit einer verformbaren Scheibe im Schnitt.
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Fig. 2 eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit einer verformbaren
elastischen Zunge im Schnitt, Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der verformbaren
Zunge des Sensors gemäß Fig. 2, Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der elastischen
Zunge mit den darauf befestigten Fabry-Perotlnterferometern, Fig. 5 einen Querschnitt
durch das feststehende Ende der elastischen Zunge und dem zugeordneten Halteelement,
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucksensors mit aufgeschnittenem
Gehäuse in einer perspektivischen Ansicht und Fig. 7 den Verlauf der Resonanzkurven
der beiden Fabry-Perot-Interferometer bei einer Veränderung der optischen Resonatorlänge.
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Die in Fig. 1 dargestellte faseroptische Fabry-Perot-Einrichtung
dient zum Erfassen eines auf eine Membrane 1 einwirkenden Druckes. Die Membrane
1 ist in der Nähe ihres Randes mit einem elastischen Membranbereich 2 versehen.
Der äußere Rand 3 der Membran 1 ist mit einem gegenüber der Umgebung, deren Druck
erfaßt werden soll, abgedichteten Gehäuse 4 verbunden. Bewegungen der Membrane 1
werden durch einen Taster 5 auf einen Sensorkörper in Gestalt einer elastischen
Platte oder elastischen Scheibe 6 übertragen, wobei die Steifigkeit oder Elastizität
der elastischen Scheibe 6 den erfaßbaren Druckbereich im wesentlichen bestimmt.
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Wie man in Fig. 1 erkennen kann, ruht die elastische Scheibe 6 mit
ihrem Rand 7 auf im Gehäuse 4 ausgebildeten Auflagekanten 8, die für die über den
Taster 5 auf die elastische Scheibe 6 einwirkenden Kräfte als Gegenlager wirken.
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Zur Erfassung der Durchbiegung der elastischen Platte oder elastischen
Scheibe 6 ist sowohl auf deren Oberseite 9 als auch auf deren Unterseite 10 jeweils
ein
Fabry-Perot-Interferometer 11, 12 so fixiert, daß beim Durchbiegen der elastischen
Scheibe 6, die durch das Produkt der Brechzahl n und der geometrischen Länge L bestimmte
Resonatorlänge n L des Fabry-Perot-Interferometers 11 auf der Oberseite 9 eine Änderung
erfährt, die sich von der gleichzeitig auftretenden Anderung der Resonatorlänge
des Fabry-Perot-Interferometers 12 auf der Unterseite 10 unterscheidet, während
bei Temperaturänderungen der Umgebung des faseroptischen Fabry-Perot-Sensors gemäß
Fig. 1 Veränderungen der Resonatorlängen beim Fabry-Perot-Interferometer 11 und
beim Fabry-Perot-Interferometer 12 übereinstimmen. Um Temperaturspannungen zwischen
der Oberseite 9 und der Unterseite 10 der elastischen Scheibe 6 möglichst zu vermeiden
ist es zweckmäßig, die elastische Scheibe 6 aus einem Wärme gut leitenden Material,
beispielsweise aus Stahl, zu fertigen. Es ist aber auch möglich, die elastische
Scheibe 6 aus Silicium oder Quarzkristall herzustellen.
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Die in Fig. 1 dargestellte faseroptische Fabry-Perot-Einrichtung
zum Erfassen von Drucken, insbesondere sehr hohen Drucken, bei hohen Umgebungstemperaturen
mit einer Temperaturkompensation verfügt über eine Laserlichtquelle 45, die eine
Laserdiode sein kann, deren Licht in an sich bekannter Weise in das vordere Ende
13 einer Zuleitungsfaser 14, die als Versorgungs-Lichtwellenleiter für beide Fabry-Perot-Interferometer
11, 12 dient, in Richtung der Pfeile 15 eingespeist wird.
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Das eingespeiste Licht gelangt über einen Koppler 16 zu einer ersten
Einkopplungsfaser 17 und einer zweiten Einkopplungsfaser 18, die Monomodefasern
sein können, um die Resonatoren der Fabry-Perot-Interferometer 11, 12 mit einer
Gauß'schen Lichtverteilung anzuregen.
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Die Einkopplungsfasern 17, 18 enden in optischen Steckern 19, 20,
die lösbar mit fest im Gehäuse 4 angeordneten zugeordneten optischen Steckern 21,
22 verbunden sind.
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Die als Sensoren zur Erfassung der unterschiedlichen Verformungen
auf der Oberseite 9 und der Unterseite 10 dienenden Fabry-Perot-Interferometer 11,
12 bestehen jeweils aus einem Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitt 23, 24,
der bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen gestreckten Verlauf
entlang der Oberseite 9 bzw. der Unterseite 10 hat. Die Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte
23, 24 verfügen über senkrecht zur Lichtwellenleiterachse geschnittene Endflächen,
die poliert und teildurchlässig verspiegelt sind. Dadurch wird das über die Einkopplungsfasern
17, 18 eingekoppelte Licht zwischen den auf den Endflächen ausgebildeten Spiegeln
mehrfach reflektiert. Die Fabry-Perot-Interferometer 11, 12 sind somit Vielstrahlinterferometer
mit einem optischen Resonator, in dem die vielfach reflektierten Teilwellen sich
immer dann konstruktiv überlagern, wenn die optische Resonatorlänge ein ganzzahliges
Vielfaches der halben Wellenlänge erreicht. Der Einsatz einer Gradientenindexfaser
mit parabolischem Brechzahlprofil gestattet einen multimodigen Betrieb, indem eine
Laserlichtwellenlänge ausgewählt wird, bei der die Modendispersion vernachlässigbar
ist. Die Kernabmessungen eines solchen Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitts
sind wesentlich größer als die eines Monomode-Lichtwellenleiters. Infolge der bei
Gradientenindexfasern einfachen Justierung ist es möglich, die Fabry-Perot-Interferometer
11, 12 über die optischen Stecker 19 bis 22 mit den Einkopplungsfasern 17, 18 problemlos
zu verbinden.
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An dem den die verspiegelten Endflächen aufnehmenden Steckern 21,
22 gegenüberliegenden Ende der Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte 23, 24
sind analog zu den. optischen Steckern 19 bis 22 optische Stecker 25 bis 28 vorgesehen.
Die teildurchlässig verspiegelten Endflächen befinden sich vorzugsweise in den optischen
Steckern 25, 26. Das von den Fabry-Perot-Interferometern 11, 12 transmittierte Licht
gelangt über die optischen Stecker 27, 28 in Auskopplungsfasern 29, 30, die beispielsweise
Multimodefasern sind, und mit Lichtdetektoren 31, 32 gekoppelt sind.
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Das aus den hinteren Enden der Auskopplungsfasern 29,30 austretende
Licht ist in Fig. 1 durch die Pfeile 33, 34, veranschaulicht.
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Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung
als Drucksensor, bei dem die mit den Bauteilen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.
1 übereinstimmenden Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden sind.
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In dem durch die Membrane 1 verschlossenen Gehäuse 4 befindet sich
als verformbarer Sensorkörper statt einer elastischen Scheibe 6 eine elastische
Zunge 36 aus Stahl, Silicium, Quarzkristall oder einem sonstigen elastischen Material.
Die elastische Zunge 36 verfügt über ein freies Ende 37, das geringfügig über die
Mittelachse des Gehäuses 4 und der Membrane 1 hinausragt. Fluchtend mit der Mittelachse
ist der Taster 5 angeordnet, der die auf die Membrane 1 einwirkenden Druckkräfte
auf das freie Ende 37 der Zunge 36 überträgt und dabei ausgehend von der in Fig.
2 gezeigten Ruhestellung beim Einwirken eines Druckes auf die Membrane 1 eine Verformung
der Zunge 36 in Richtung auf den Gehäuseboden 38 bewirkt. Da die Zunge mit einem
feststehenden Ende 39 am Gehäuse 4 befestigt ist, führt eine Belastung der Zunge
in Richtung auf den Gehäuseboden 38 dazu, daß die Oberseite 40 der Zunge 36 gedehnt
und die Unterseite 41 der Zunge 36 gestaucht wird. Das Erfassen der Dehnung auf
der Oberseite 40 und der Stauchung auf der Unterseite 41 erfolgt jeweils mit einem
Fabry-Perot-Interferometer 51, 52. Die Fabry-Perot-Interferometer 51, 52 bestehen
aus Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitten 53, 54, deren Endflächen senkrecht
zur Lichtwellenleiterachse geschnitten, poliert und teildurchlässig verspiegelt
sind.
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Während Fig. 3 die elastische Zunge 36 gegenüber der Fig. 2 vergrößert
darstellt, zeigt Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf die elastische Zunge 36
zur Veranschaulichung des U-förmigen Verlaufs der Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte
53, 54. Wie man in Fig. 4 deutlich erkennt, erstreckt sich der Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitt
53 auf der Oberseite 40 ausgehend von dem feststehenden Ende 39 bis zum freien Ende
37 und von dort zurück bis zum feststehenden Ende 39. Infolge des U-förmigen Verlaufs
ist es möglich sowohl den optischen Stecker 21 zum Einkoppeln von Licht als auch
den optischen Stecker 25 zum Auskoppeln von Licht am feststehenden Ende 39 der Zunge
36 anzuordnen. Durch die U-förmige Biegung am freien Ende 37 werden weiterhin die
äußeren, zur Dispersion stärker beitragenden Moden infolge des an sich bekannten
Microbending-Effektes aus dem Kern ausgekoppelt. Dies hat zur Folge, daß die Resonanzkurve
des auf der Oberseite 40 fixierten Fabry-Perot-Interferometers 51 und des auf der
Unterseite 41 fixierten Fabry-Perot-Interferometers 52 entsprechender Gestalt Resonanzkurven
aufweisen, die deutlicher und störungsfreier ausgeprägt sind, als dies bei den linearen
Fabry-Perot-Interferometern 11, 12 der Fall ist. Bei einer Änderung der optischen
Resonatorlänge der Perot-Interferometer 51, 52, deren verspiegelte Endflächen in
den optischen Steckern 21 und 25 bzw. 22 und 26 vorgesehen sind, verschieben sich
die Resonanzkurven in der bei Fabry-Perot-Interferometern bekannten Weise. Die über
die Auskopplungsfasern 29, 30 in Richtung der Pfeile 33,34 zu den Lichtdetektoren
31,32 ausgekoppelten Lichtsignale erzeugen in den Lichtdetektoren 31, 32 entsprechend
den Resonanzkurven schwankende Signalspannungen, die einer in der Zeichnung nicht
dargestellten Auswerteschaltung mit einem Verstärker zugeführt werden, die weiterhin
über den Fabry-Perot-Interferometern 51, 52 zugeordnete Rauf-Runter-Zähler verfügt.
Die Auswertung der Meßsignale geschieht dabei in an sich bekannter Weise dadurch,
daß bei einer Veränderung der optischen Weglänge oder der Resonatorlänge die Zahl
der Resonanzmaxima erfaßt wird, wobei in Abhängigkeit von der Richtung der Änderung
der Resonatorlänge der Zählerstand inkrementiert oder dekrementiert wird.
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Zur Erfassung von Richtungsänderungen ist es zweckmäßig, die Laserlichtquelle
45 zu modulieren, um eine Richtungsumkehr elektronisch einfach erfassen zu können.
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Eine andere Methode zur Auswertung der Sensorsignale besteht darin,
statt einer einzigen Laserlichtquelle 45 für jedes Fabry-Perot-Interferometer 51,
52 eine getrennte Laserlichtquelle 45 vorzusehen und die Lichtwellenlänge der Laserlichtquellen
45 mit Hilfe von Stromregelungsschaltungen nachzuführen, so daß Änderungen der optischen
Weglänge oder optischen Resonatorlänge der Grandientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte
53, 54 kompensiert werden und das Signal an den Lichtdetektoren 31, 32 dauernd dem
gleichen Resonanzmaximum zugeordnet bleibt. Das detektierte Signal bleibt somit
stets auf der gleichen Interferenzordnung eingerastet. Der Laserstrom wird gegen
den Meßparameter geeicht. Die zum Nachführen der Wellenlängen der Laserlichtquellen
verwendeten Regelsignale werden ausgewertet, um schließlich aus der Differenz der
Resonatorlängenänderungen die Durchbiegung der elastischen Zunge 36 und damit den
auf die Membrane 1 wirkenden Druck zu bestimmen.
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Beim Verbiegen der elastischen Zunge 36 werden die Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte
53, 54 der U-förmigen Fabry-Perot-Interferometer 51, 52 gedehnt bzw. gestaucht.
Damit ändert sich die optische Resonatorlänge, so daß das optische Signal um einige
freie Spektralbereiche wandert. Quarzglas hat gute elastische Eigenschaften. Es
läßt sich um einige Prozent innerhalb des Gültigkeitsbereichs des Hook'schen Gesetzes
reversibel dehnen. Aus diesem Grunde reagiert der erörterte faseroptische »Dehnungsmeßstreifen«
sehr empfindlich auf Auslenkungen der elastischen Zunge 36. Ein Biegehub von beispielsweise
0,5 ,um gemessen in der Mitte (halbe Länge) einer 38 mm langen Zunge 36, erzeugt
ein Auswandern des Fabry-Perot-Interferometer-Signals um drei freie Spektralbereiche.
Die Durchbiegung einer Druckmembrane, die für einen Drucksensor in der Größenordnung
einiger 10 llm liegt, sollte bei geeigneter mechanischer Umsetzung der Membranbewegung
auf die Zunge 36 für eine Messung mit der geforderten Auflösung ausreichen, da mit
geeigneten Detektions- und Auswerteverfahren Änderungen der optischen Resonatorlänge
von einigen 10 nm meßbar sind. Der freie Spektralbereich zwischen zwei benachbarten
Interferenzordnungen des Fabry-Perot-lnterfe-
rometers liegt für
eine Wellenlänge von 0,9 iim und einen Brechungsindex von n = 1,5 bei 300 nm.
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Um den faseroptischen Drucksensor bei hohen Temperaturen bis 400
0C betreiben zu können, darf der verwendete Gradientenindex-Lichtwellenleiter keine
Polymerummantelung aufweisen. Eine »nackte« Faser (Kern plus Primärmantel) wäre
aber zu brüchig und für den Fertigungsprozeß praktisch nicht geeignet. Außerdem
wäre ihre mechanische Fixierung an einer Unterlage (elastische Zunge) sehr problematisch.
Hier empfiehlt sich eine metallisch (Aluminium, Nickel, Eisen-Nickel) ummantelte
Faser. Neben der mechanischen Festigkeit bieten solche Fasern zudem den Vorteil,
daß sie durch geeignete Verbindungstechniken, wie z. B.
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Schweißen oder galvanischen Einbetten, an eine Trägerstruktur fixiert
werden können. Die Haftfestigkeit und Temperaturbeständigkeit einer solchen Verbindungstechnik
ist allerdings nicht unkritisch. Um hier gute Ergebnisse zu erzielen, ist eine sorgfältige
Auswahl der Materialien hinsichtlich Elastizitätsmodul, thermischer Ausdehnung und
galvanotechnischer Verträglichkeit notwendig.
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So ist z. B. Aluminium hinsichtlich Haftfestigkeit problematisch.
Hier müßte zumindest beim Galvanisieren mit Leitlack-Zwischenschichten (ca. 5 ,um
dick) gearbeitet werden, auf die anschließend Kupfer- oder Nickelschichten aufgebracht
werden. Besser geeignet sind Lichtwellenleiter, die bereits mit Nickel oder einer
Eisen-Nickel-Legierung ummantelt sind. Aus diesem Grunde sind die Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte
53, 54 vorzugsweise mit Nickel oder Nickel-Eisen-Legierung ummantelt und durch Schweißen
oder galvanisches Einbetten mit der elastischen Zunge 36 verbunden.
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Wie man in Fig. 4 weiter erkennt, ist der elastischen Zunge 36 ein
Halteelement 55 mit Ausnehmungen 56, 57 zugeordnet, die in Fig. 5 besonders deutlich
zu erkennen sind und insbesondere zur Aufnahme der optischen Stecker 21,25,22, 26,
dienen. Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind den optischen
Steckern 21, 25, 22 und 26 entsprechende optische Stecker 19, 20, 27 und 28 zugeordnet,
die teilweise in Fig. 3 zu erkennen sind.
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Statt des Einbaus der in Fig. 4 dargestellten Anordnung in ein Gehäuse
4 gemäß Fig. 2 ist es auch möglich, die elastische Zunge 36 in ein zylindrisches
Gehäuse 60 mit einem Boden 61 anzuordnen, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Man erkennt
in Fig. 6 den Ausschnitt einer Wand 62 eines unter Druck stehenden Behälters, dessen
Innendruck erfaßt werden soll. Der Mantel des zylindrischen Gehäuses 60 ist daher
dicht mit der Wand 62 verbunden. Bei einem Ansteigen des zu erfassenden Druckes
verformt sich der Mantel des zylindrischen Gehäuses 60 zwischen dem Boden 61 und
der Wand 62 ähnlich einer Einschnürung, wobei der Durchmesser gegenüber dem in Fig.
6 dargestellten unbelasteten Durchmesser verringert wird.
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Die durch den Druckanstieg bewirkte Einwölbung des Mantels des zylindrischen
Gehäuses 60 wird mit Hilfe der elastischen Zunge 36 erfaßt, die über den Taster
5 von der Innenseite des sich verformenden zylindrischen Gehäuses 60 auf die Zunge
36 übertragen wird. Bei einem Ansteigen des Druckes wird die Zunge 36 in Fig. 6
somit angehoben, so daß auf der Oberseite 40 ein Stauchen und auf der Unterseite
41 ein Dehnen der zugeordneten Fabry-Perot-Interferometer 51, 52 erfolgt, deren
Aufbau bereits oben erörtert worden ist, so daß hierauf nicht nochmals eingegangen
wird. Man
erkennt in Fig. 6, daß die Einspannung der Zunge 36 mit einem Stopfen 63
im Innern des zylindrischen Gehäuses 60 erfolgt. Bei dem in Fig. 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind keine optischen Stecker zum Verbinden der Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitte
53, 54 vorgesehen, obwohl dies selbstverständlich zur Verbindung mit den Einkopplungsfasern
17, 18 und den Auskopplungsfasern 29, 30 erfolgen kann.
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In Fig. 7 ist das Ausgangssignal des Fabry-Perot-Interferometers
51 mit FFP1 und das Ausgangssignal des Fabry-Perot-Interferometers 52 mit FFP2 bezeichnet.
Da beim Verbiegen der elastischen Zunge 36 das eine Fabry-Perot-Interferometer 151
gedehnt und das andere Fabry-Perot-Interferometer 52 gestaucht wird, verändern sich
die optischen Signale (Folge von Interferenzordnungen) der beiden Resonatoren gegenläufig.
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Diese Verhältnisse sollen durch Fig. 7 veranschaulicht werden, deren
horizontale Achse die sich im Laufe der Zeit ändernde Resonatorlänge zugeordnet
ist, die das Produkt der vom Drucks und der Temperatur T abhängigen Brechzahl n
und geometrischen Länge L ist.
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Läuft unter dem Einfluß einer Druckänderung dp das Signal des FFP1
z. B. vom Punkt Al zum Punkt B1, so läuft bei symmetrischer Konfiguration des Resonatorpaares
das Signal des uner FFPZ vom Punkt A2 zum Punkt B2. Eine geeignete Auswertung des
Differenzsignals beider Fabry-Perot-Resonatoren erlaubt somit eine Bestimmung des
Drucks mit doppelter Auflösung.
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Der Effekt einer bei beiden Fabry-Perot-Interfermometern gleichen
Temperaturänderung T (thermische Ausdehnung sowie thermooptische Veränderung der
Brechzahl) führt andererseits zu einer gleichsinnigen und damit gleich großen Verschiebung
beider optischer Signale, also von Punkt Al nach C1 bzw. von Punkt A2 nach C2, so
daß im Rahmen einer Differenzsignalauswertung der Einfluß der Temperatur kompensiert
werden kann.
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