DE4115370A1

DE4115370A1 - Faseroptischer sensor

Info

Publication number: DE4115370A1
Application number: DE19914115370
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Bohnert; Mathias Dr Fauth
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1992-11-26
Also published as: CH683471A5

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Faseroptik. Sie betrifft insbesondere einen faseroptischer Sensor für elektrische Wechselfelder bzw. -Spannungen, umfassend

a) ein piezoelektrisches Sensorelement;
b) eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, welche optische Faser zumindest teil weise an dem Sensorelement so fixiert ist, daß eine Dimensionsänderung des Sensorelements in einem elek trischen Feld zu einer Längenänderung in der Faser führt; und
c) Mittel zum Messen der feldbedingten Längenänderung der Faser.

Ein solcher faseroptischer Sensor ist z. B. aus der EP-A1-03 16 619 bekannt.

Stand der Technik

In verschiedenen Druckschriften wie z. B. den Europäischen Patentanmeldungen EP-A1-03 16 619 und EP-A1-03 16 635 oder den Artikeln von K. Bohnert und J. Nehring in Appl. Opt. 27, S. 4814-4818 (1988), bzw. Opt. Lett. 14, S. 290-292 (1989), sind bereits faseroptische Sensoren zur Messung von elektrischen Feldern und Spannungen beschrie ben worden.

Das dabei verwendete Meßprinzip beruht auf dem inversen Piezoeffekt in Materialien mit ausgesuchter Kristallsym metrie. Die zeitlich periodische Dimensionsänderung, die ein entsprechender piezoelektrische Körper in einem elek trischen Wechselfeld erfährt, wird auf eine an dem Körper fixierte Glasfaser übertragen. Die Längenänderung der Fa ser ist dann proportional zur Feld- bzw. Spannungsampli tude und wird interferometrisch gemessen und ausgewertet.

Für die interferometrische Messung können verschiedene Arten von Glasfaser-Interferometern eingesetzt werden. Aufgrund seiner Einfachheit ist von diesen Arten das aus dem Artikel von B. Y. Kim et al., Opt. Lett. 12, S. 729-731 (1987), bekannte Zwei-Moden-Faser-Interferometer von be sonderem Interesse. Die Parameter der Sensorfaser sind bei diesem Interferometer so gewählt, daß sich in der Faser genau zwei Moden (der LP₀₁-Grundmodus und der ge rade LP₁₁-Modus) ausbreiten können.

Wie in Fig. 1A am Prinzip eines faseroptischen Feldsen sors dargestellt, wird beim Zwei-Moden-Faser-Interferome ter Licht aus einer kohärenten Lichtquelle 1, z. B. einem Laser, durch eine Zwei-Moden-Faser 3 geschickt, welche an einem piezoelektrischen Sensorelement 2 für das elektri sche Feld E fixiert ist. Am Faserende kann man dann ein Interferenzmuster beobachten, welches sich aus der Über lagerung dieser beiden Moden ergibt. Eine Längenänderung der Faser führt zu einer differentiellen Phasenverschie bung zwischen beiden Moden, die sich in einer entspre chenden Änderung des Interferenzmusters äußert. Fig. 1B zeigt solche Interferenzmuster für drei charakteristische Phasenunterschiede n2pi, (2n+1)(pi/2) und (2n+1)pi.

Die beiden nebeneinanderliegenden Substrukturen des In terferenzmusters (in Fig. 1B auf der rechten Seite des Pfeils durch Halbellipsen angedeutet) werden mit zwei De tektoren 4a und 4b (z. B. in Form von Photodioden) detek tiert. An deren Ausgang liegen zwei um 180° phasenver schobene Signale V₁₁ und V₁₂ vor:

V₁₁ = (1/2)V₀(1+acosΦ(t)) (1)

V₁₂ = (1/2)V₀(1-acosΦ(t)) (2)

mit Φ(t) = AsinΩt + R(t). Die Phasenverschiebung Φ(t) zwischen den beiden Moden setzt sich also zusammen aus einem durch das zu messende Wechselfeld hervorgerufenen zeitlich periodischen Anteil AsinΩt (A ist dabei propor tional zur Amplitude des Feldes) und einem willkürlichen Phasenterm R(t), der sich z. B. infolge von temperaturbe dingten Fluktuationen der Faserlänge ebenfalls zeitlich ändern kann. V₀ schließlich ist proportional zur opti schen Leistung und a ist ein Maß für den Interferenzkon trast.

Der gesuchte Term A.sinΩt wird häufig mit einem Homodyn-Detek tionsverfahren aus den Ausgangssignalen der Detekto ren 4a und 4b gewonnen (für einen faseroptischen Sensor mit Ein-Moden-Faser siehe dazu: D. A. Jackson et al., Appl. Opt. 19, S. 2926-2929 (1980); ein entsprechender fa seroptischer Sensor mit Zwei-Moden-Faser ist in der älte ren Europäischen Anmeldung Nr. 9 01 23 660.4 beschrieben). Bei diesem Verfahren wird die Sensorfaser zusätzlich über einen piezoelektrischen Modulator geführt. Mit Hilfe die ses Modulators wird die Phasendifferenz Φ(t) auf +(pi/2) oder -(pi/2) (modulo 2pi) geregelt.

Neben dem Homodyn-Verfahren sind in der Literatur einige weitere Detektionsverfahren beschrieben worden, die den Vorteil haben, daß auf einen zusätzlichen Modulator im Bereich des Interferometers verzichtet werden kann, die aber dafür eine kompliziertere Sensorelektronik für die Signaldemodulation benötigen, die zudem oft eine gerin gere Genauigkeit aufweist. Beispiele dafür sind das syn thetische Heterodyn-Verfahren (J. H. Cole et al., IEEE J. Quant. Electr. QE-18, S. 694-697 (1982)), das Homodyn-Ver fahren mit einem phasenmodulierten Trägersignal (A. Dandridge et al., IEEE J. Quant. Electr. QE-18, S. 1647-1653 (1982)), und Verfahren, bei denen auf optischem Wege zwei Interferometersignale erzeugt werden, die um 90° gegen einander phasenverschoben sind (S. K. Sheem et al., Appl. Opt. 21, S. 689-693 (1982)).

In einer Reihe von praktischen Anwendungen des Sensors (z. B. bei der Spannungsmessung in Freiluftanlagen) können verhältnismäßig große Abstände (10 m bis einige 100 m) zwischen dem eigentlichen Sensorkopf und der Sensorelek tronik auftreten. Es ist unzweckmäßig, diese Abstände mit der Zwei-Moden-Faser selbst zu überbrücken, da sich der Einfluß externer Störungen (Temperaturschwankungen, mechanische Erschütterungen etc.) mit zunehmender Faser länge entsprechend vergrößert und das Signal/Rausch-Ver hältnis verschlechtert. Die Lichtzuführung von der Laser diode zum Interferometer und die Rückführung der Aus gangssignale des Interferometers sollten vielmehr über separate Glasfasern erfolgen, die nicht Bestandteil des Interferometers sind.

Bei dem oben beschriebenen Homodyn-Verfahren mit einem aktiven Phasen-Modulator wäre aber zusätzlich zu den Ver bindungs-Glasfasern auch noch eine elektrische Verbindung zwischen der Sensorelektronik und dem Sensorkopf zur An steuerung des Modulators erforderlich. Die Attraktivität eines mit diesem Interferometertyp arbeitenden Sensors wäre dadurch sehr beschränkt.

Es ist deshalb in einer älteren deutschen Patentanmeldung derselben Erfinder bereits vorgeschlagen worden, bei ei nem faseroptischen Sensor anstelle der bekannten aktiven Signaldetektion, die einen zusätzlichen Modulator in der Meßfaser mit entsprechender elektrischer Zuleitung er fordert, eine passive Signaldetektion vorzusehen. Die passive Signaldetektion beruht auf dem Guoy-Effekt (siehe dazu: S. Y. Huang et al., Springer Proc. in Physics, Vol. 44 "Optical Fiber Sensors", S. 38-43, Springer Verlag Berlin, Heidelberg (1989)), d. h. dem Phasenunterschied zwischen den Interferenzmustern des Nah- und Fernfeldes: Die Substrukturen des Nah- und Fernfeldes (insgesamt 4) werden optisch separiert und können über separate Glasfa sern zu einer entfernten Auswerteelektronik übertragen werden. Dort kann unter Verwendung von wenigstens drei dieser vier Substrukturen die gewünschte Information über die Längenänderung der Meßfaser gewonnen werden.

Ein Beispiel für einen solchen faseroptischen Sensor mit passiver Signaldetektion aus der genannten älteren Anmel dung ist in Figur 2 wiedergegeben. Sensorelement 2 und Zwei-Moden-Faser 3 bilden zusammen mit optischen Mitteln 14 zur Trennung der am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 3 auftretenden Nah- und Fernfeldsignale (I₁₁, I₁₂, I₂₁, I₂₂) einen eigenständigen Sensorkopf 9, der ausschließlich durch separate Glasfasern (7, 13a, b, c) mit einer entfernt plazierten Sensorelektronik 6 potential-getrennt verbun den ist.

Die Sensorelektronik 6 umfaßt als kohärente Lichtquelle eine Laserdiode 5 zur Anregung der Moden in der Zwei-Mo den-Faser 3, eine Mehrzahl von Detektoren 12a, b, c zum Um wandeln der Nah- und Fernfeldsignale I₁₁, I₂₁, I₂₂ in entsprechende elektrische Signale, sowie nachgeschaltete elektronische Mittel 11 zur Gewinnung der Längenände rungs-Information aus diesen umgewandelten Nah- und Fern feldsignalen. Das resultierende Nutzsignal steht am Sig nalausgang 10 zur Verfügung.

Die Laserdiode 5 koppelt ihr (linear polarisiertes) Licht über eine polarisationserhaltende Ein-Moden-Faser 7 in das Eingangsende der Zwei-Moden-Faser 3 ein. Beide Fasern sind dabei über einen Spleiß 8 so zusammengespleißt, daß LP₀₁-Grundmodus und gerader LP₁₁-Modus in etwa glei cher Intensität angeregt werden und die Polarisations richtung parallel zu einer der beiden Achsen des ellipti schen Faserkerns der Zwei-Moden-Faser 3 liegt. Am Aus gangsende der Zwei-Moden-Faser 3 erfolgt durch die opti schen Mittel 14 die Aufspaltung in mehrere getrennte op tische Signale I₁₁, I₂₁ und I₂₂, welche über separate Glasfasern (Multimoden-Fasern 13a, b, c) den Detektoren 12a, b, c zugeführt, dort in entsprechende elektrische Sig nale I₁₁, I₂₁ und I₂₂ umgewandelt und schließlich durch die elektronischen Mittel 11 ausgewertet werden.

Eine mögliche Ausführungsform für die im Beispiel der Fig. 2 verwendeten optischen Mittel 14 ist in der Fig. 3A dargestellt. Sie umfaßt im wesentlichen zwei Selfoc-Lin sen 15a, b mit einem Pitch von 0,25, eine dritte Selfoc-Linse 15c mit einem Pitch kleiner 0,25, einen Strahltei ler 16 sowie eine Ein-Moden-Faser 17. Die erste Selfoc-Linse 15a kollimiert die aus dem Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 3 austretenden Interferenzsignale zu einem Parallelstrahl, welcher durch den Strahlteiler 16 in zwei Teilstrahlen zerlegt wird (der zugehörige Strahlengang 19 ist durch gestrichelte Linien angedeutet).

Der erste Teilstrahl wird durch die zweite Selfoc-Linse 15b wieder so fokussiert, daß das Ausgangsende der Zwei- Moden-Faser 3 auf die dem Strahlteiler 16 abgewandte Flä che abgebildet wird, d. h. dort das Nahfeld-Interferenzmu ster erscheint. Von diesem Nahfeld-Interferenzmuster wird durch die Ein-Moden-Faser 17, die als räumliches Filter wirkt, eine der Substrukturen - in diesem Fall I₁₁ - aus gekoppelt und über eine mit einem Spleiß 18 angespleiß te erste Multimoden-Faser 13a zu dem entsprechenden De tektor 12a (Fig. 2) geleitet.

Der zweite Teilstrahl wird durch die dritte Selfoc-Linse 15c so gebündelt, daß sich die Eingangsenden der zwei nachfolgenden, als Auskopplungsfasern dienenden Multimo den-Fasern 13b, c noch im optischen Fernfeld der Zwei-Mo den-Faser 3 befinden, das Licht aber bereits effizient in die zwei Auskopplungsfasern eingekoppelt wird, wobei je weils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interfe renzmusters der Zwei-Moden-Faser 3 in jeweils eine der beiden Auskopplungsfasern eingekoppelt wird.

Eine mögliche Ausführungsform der im Beispiel der Fig. 2 verwendeten elektronischen Mittel 11 ist in der Fig. 3B wiedergegeben. Aus den Signalen I₁₁, I₂₁ und I₂₂ wird dort in der angegebenen Weise durch Filterung mittels dreier Tiefpaßfilter 21a, b, c und zweier Bandpaßfilter 20a, b, sowie durch Kombination mittels zweier Subtrahie rer 22a, b, dreier Addierer 55a, b, c, eines Abschwächers 54 (mit dem Abschwächungsfaktor 0,5), vierer Absolutwert bildner 53a, b, c, d und eines Dividierers 23 das gewünschte Nutzsignal erzeugt und am Signalausgang 10 bereitge stellt.

Die Vorteile des beschriebenen faseroptischen Sensors gemäß der älteren Anmeldung sind:

- Es gibt keine elektrische Verbindung zwischen der Sensorelektronik 6 und dem Sensorkopf 9 (galvanische Trennung);
- der Abstand zwischen der Sensorelektronik 6 und dem Sensorkopf 9 kann relativ groß sein;
- es ist keine Kontrolle bzw. Regelung des Interfero meter-Arbeitspunkts erforderlich; und
- die elektronischen Mittel zur Signalauswertung sind einfach.

Diesen Vorteile stehen allerdings auch Nachteile gegen über: Da der Arbeitspunkt des Interferometers nicht sta bilisiert wird, enthalten die Interferenzsignale am Aus gangsende der Zwei-Moden-Faser 3 höhere Harmonische des Grundsignals. Diese Harmonischen müssen für die Demodula tion der Interferenzsignale mit elektronischen Band paßfiltern (20a, b in Fig. 3B) herausgefiltert werden. Die nutzbare Bandbreite ist damit eingeschränkt.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Sensor anzugeben, der sich bei großer nutzbarer Bandbreite durch einfachen Aufbau und hohe Genauigkeit und Störsicherheit auszeichnet, und bei dem die eigentliche Meßfaser ausschließlich über separate Glasfasern an die Lichtquelle und die Auswerteelektronik angekoppelt werden kann.

Die Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

d) die Faser eine Zwei-Moden-Faser ist, deren Parameter so gewählt sind, daß sich in ihr der LP₀₁-Grundmo dus und der gerade LP₁₁-Modus ausbreiten können;
e) vor dem Eingangsende der Zwei-Moden-Faser eine kohä rente Lichtquelle mit einer regelbaren Wellenlänge angeordnet ist, welche kohärente Lichtquelle die beiden Moden der Zwei-Moden-Faser anregt;
f) die Mittel zum Messen der feldbedingten Längenände rung der Faser optische Mittel, elektronische Mittel und Detektoren umfassen; wobei
g) die optischen Mittel die am Ausgangsende der Zwei-Mo den-Faser auftretenden Interferenzmuster in opti sche Nah- und Fernfeldsignale aufteilen;
h) die Detektoren die optischen Nah- und Fernfeldsig nale in entsprechende elektrische Nah- und Fernfeld signale umwandeln; und
i) die elektronischen Mittel aus den elektrischen Nah- und Fernfeldsignalen einerseits die Längenänderungs-In formation und andererseits ein Signal für die Re gelung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle gewinnen.

Der Kern der Erfindung besteht darin, einerseits - wie in der älteren deutschen Anmeldung - eine auf dem Guoy-Effekt basierende, die unterschiedlichen Nah- und Fernfeld signale verwendende, passive Signaldetektion zu verwirk lichen, und andererseits aus den Fern- oder Nahfeldsigna len ein Regelsignal zu gewinnen, mit dessen Hilfe die Wellenlänge der Lichtquelle geregelt werden kann.

Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt des Zwei-Moden-Fa ser-Interferometers so eingestellt werden, daß bei der Modulation durch das Feldsignal höhere Harmonische nur in einer vernachlässigbaren Größenordnung entstehen und in der Auswerteelektronik auf entsprechende Bandpaßfilter verzichtet werden kann. Die gewünschte galvanische Tren nung zwischen Sensorelektronik und Sensorkopf bleibt da bei vollständig erhalten.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Sensors zeichnet sich dadurch aus, daß

a) die kohärente Lichtquelle als Laserdiode ausgebildet ist;
b) die Wellenlänge der Laserdiode über deren Betriebs strom oder Temperatur von einer Laserdiodenregelung geregelt wird, welche ein Regelsignal aus einem Qua draturregler erhält, dessen Eingang wiederum mit den elektronischen Mitteln in Verbindung steht; und
c) die Wellenlänge der Laserdiode so eingeregelt wird, daß im Fernfeld zwischen den beiden interferieren den Moden ein Gangunterschied von ± pi/2 (modulo 2pi) besteht.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfassen die optischen Mittel zur Trennung der Nah- und Fernfeld signale:

a) eine direkt am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser an geordnete erste Linse zur Kollimierung der aus der Zwei-Moden-Faser austretenden zwei Moden zu einem Parallelstrahl;
b) einen ersten, hinter der ersten Linse angeordneten Strahlteiler, welcher den Parallelstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltet;
c) eine zweite Linse mit einer nachgeordneten ersten Auskopplungsfaser, welche zweite Linse den ersten der beiden Teilstrahlen so fokussiert, daß die End fläche der Zwei-Moden-Faser auf das Eingangsende der ersten Auskopplungsfaser abgebildet wird; und
d) eine dritte Linse mit zwei parallelen, nachgeordne ten Auskopplungsfasern, welche dritte Linse den zweiten Teilstrahl so bündelt, daß sich die Ein gangsenden der zwei Auskopplungsfasern noch im opti schen Fernfeld der Zwei-Moden-Faser befindet, das Licht aber bereits effizient in die zwei Auskopp lungsfaser eingekoppelt wird, wobei jeweils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmusters der Zwei-Moden-Faser in jeweils eine der beiden Aus kopplungsfasern eingekoppelt wird.

Der Sensor ist dann beispielsweise so ausgebildet, daß

a) die elektronischen Mittel zwei Tiefpaßfilter und einen Verstärker mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang, sowie zwei Subtrahierer, einen Addierer und einen Dividierer mit jeweils zwei Eingängen und ei nem Ausgang, umfassen; wobei
b) auf die beiden Eingänge des ersten Subtrahierers und die beiden Eingänge des Addierers die beiden elek trischen Fernfeldsignale gelangen, und der Ausgang des ersten Subtrahierers mit dem Eingang des ersten Tiefpaßfilters und dem ersten Eingang des Dividie rers, und der Ausgang des Addierers mit dem ersten Eingang des zweiten Subtrahierers verbunden sind;
c) auf den zweiten Eingang des zweiten Subtrahierers über das zweite Tiefpaßfilter und den nachgeschal teten Verstärker eines der beiden elektrischen Nah feldsignale gelangt;
d) der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters auf den Ein gang des Quadraturreglers geschaltet ist;
e) der Ausgang des zweiten Subtrahierers mit dem zwei ten Eingang des Dividierers verbunden ist; und
f) der Ausgang des Dividierers mit einem Signalausgang für die Abnahme des Nutzsignals in Verbindung steht.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1A ein Beispiel für einen faseroptischen E-Feld-Sen sor mit Zwei-Moden-Faser;

Fig. 1B die Prinzipdarstellung der Interferenzmuster am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (3) aus Fig. 1A;

Fig. 2 den Aufbau eines faseroptischen Sensors mit passiver Signaldetektion gemäß einer älteren deutschen Anmeldung derselben Erfinder;

Fig. 3A ein Ausführungsbeispiel für die optischen Mit tel (14), wie sie im Sensor gemäß Fig. 2 ver wendet werden;

Fig. 3B ein Ausführungsbeispiel für die elektronischen Mittel (11), wie sie im Sensor gemäß Fig. 2 verwendet werden;

Fig. 4 den Aufbau eines beispielhaften Sensors mit passiver Signaldetektion und Arbeitpunktrege lung des Interferometers nach der Erfindung;

Fig. 5A ein erstes Ausführungsbeispiel für die opti schen Mittel (31) gemäß Fig. 4 zur Trennung aller Nah- und Fernfeldsignale;

Fig. 5B eine zu Fig. 5A alternative Ausführungsform der optischen Mittel (31), bei welchen nur ein Nah- und beide Fernfeldsignale getrennt werden;

Fig. 6A ein Ausführungsbeispiel für die elektronischen Mittel (34) eines Sensors nach Fig. 4 mit den optischen Mitteln (31) gemäß Fig. 5A;

Fig. 6B eine zu Fig. 6A alternative Ausführungsform der elektronischen Mittel (34), welche optische Mittel (31) gemäß Fig. 5B voraussetzt;

Fig. 7A, B Amplitudendiagramme zur Verdeutlichung der Ar beitspunktregelung des Sensor-Interferometers; und

Fig. 8 ein Diagramm für die normierte Phasenverschie bung im Interferometer in Abhängigkeit von der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Auf die Darstellungen in den Fig. 1A, B, Fig. 2 und Fig. 3A, B soll im folgenden nicht weiter eingegangen werden, da sie sich auf die bereits genannte ältere deutsche An meldung beziehen und bereits im Zusammenhang mit der Ein leitung erläutert worden sind.

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Sensors nach der Erfindung. Der Sensor be steht im wesentlichen aus einem Sensorkopf 27, einer Sen sorelektronik 25 und einer Mehrzahl von separaten Glasfa sern (26, 32a-d), welche Sensorkopf 27 und Sensorelektro nik 25 miteinander verbinden.

Im Sensorkopf 27 ist ein piezoelektrisches Sensorelement 29 angeordnet, welches seine durch ein E-Feld hervorgeru fenen Dimensionsänderungen als Längenänderung auf eine an ihm fixierte Zwei-Moden-Faser 30 überträgt. Die Zwei-Mo den-Faser 30 stellt ein Interferometer dar, welches von einer Laserdiode 24 über eine polarisationserhaltende Ein-Moden-Faser 26 und einen entsprechenden Spleiß 28 angeregt wird.

Die angeregten Moden interferieren längenabhängig. Die Substrukturen der resultierenden Interferenzmuster werden am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 30 mit Hilfe opti scher Mittel 31 getrennt, über Multimodenfasern 32a-d auf entsprechende Detektoren 33a-d gegeben und dort in ge eignete elektrische Signale umgewandelt. Aus den elektri schen Signalen wird dann mit Hilfe elektronischer Mittel 34 das gewünschte Nutzsignal sowie ein weiteres Signal gewonnen. Das Nutzsignal, welches an einem Signalausgang 35 abgenommen werden kann, gibt ein Maß für das am Sen sorelement 29 anliegende elektrische Feld. Das weitere Signal wird über einen Quadraturregler 37 und eine Laser diodenregelung 38 zur aktiven Regelung der Wellenlänge der Laserdiode 24 und damit des Arbeitspunktes des Inter ferometers verwendet (siehe Fig. 8).

Grundsätzlich ergibt sich für die Interferenz in der Zwei-Moden-Faser 30 die folgende Situation: Der LP₀₁-Grund modus und der LP₁₁-Modus der Zwei-Moden-Faser können in sehr guter Näherung durch die Gaussschen TEM₀₀- und TEM₁₀-Moden dargestellt werden. Diese beiden Moden haben nach Verlassen der Faser die Form

E_lm(x, y, z) = E_0lm(x, y, z)exp[-ik(x²+y²)/2R(z)-ikz+i(l+m+1)eta]. (3)

Hierbei ist E_01m(x, y, z) die Amplitude, x und y sind die Koordinatenrichtungen senkrecht und z ist die Koordina tenrichtung parallel zur Strahlausbreitungsrichtung (z = 0 entspricht der Position des Faserendes); k ist die Wel lenzahl (k = 2pi/lambda, wobei lambda für die optische Wellenlänge steht). R(z) und eta(z) sind gegeben durch

R(z) = z(1+z₀²/z²) (4)

eta(z) = tan^-1(z/z₀) (5)

mit

z₀ = (piΩ₀² · n)/lambda (6).

n ist der Brechungsindex (n ≈ 1 in Luft), Ω₀ ist der la terale Abstand von der optischen Achse bei z = 0, bei welchem die Feldamplitude auf 1/e ihres Wertes auf der Achse gefallen ist.

Für Abstände z » z₀ vom Faserende geht eta(z) gegen pi/2. Die beiden Moden TEM₀₀(l = 0, m = 0) und TEM₁₀(l = 1, m = 0) (bzw. die LP₀₁- und LP₁₁-Moden) erfahren also bei ihrer Ausbreitung vom optischen Nahfeld (z ≈ 0) ins optische Fernfeld (z » z₀) eine relative Phasenverschiebung von pi/2. Zwischen den Interferenzmustern der beiden Moden im Nah- und Fernfeld besteht damit ebenfalls ein Phasenun terschied von pi/2. Die Intensitäten in den Substrukturen der Interferenzmuster sind dann im Nahfeld (Nahfeldsignale)

I₁₁ = (1/2)I₀(1+acosΦ(t)) (7)

I₁₂ = (1/2)I₀(1-acosΦ(t)) (8)

und im Fernfeld (Fernfeldsignale)

I₂₁ = (1/2)I₀(1+asinΦ(t)) (9)

I₂₂ = (1/2)I₀(1-asinΦ(t)) (10),

mit Φ(t) = AsinΩt + R(t). Die Phasenverschiebung Φ(t) zwischen den beiden Moden setzt sich also - wie bereits eingangs erwähnt - zusammen aus einem durch das zu mes sende Wechselfeld hervorgerufenen, zeitlich periodischen Anteil AsinΩt (A ist dabei proportional zur Amplitude des Feldes) und einem willkürlichen Phasenterm R(t), der sich z. B. infolge von temperaturbedingten Fluktuationen der Faserlänge ebenfalls zeitlich ändern kann. I₀ ist die to tale Lichtintensität und a ist ein Maß für den Inter ferenzkontrast. Man beachte, daß zwischen Nah- und Fern feld ein Phasenunterschied von pi/2 besteht.

Von den insgesamt vier Nah- und Fernfeldsignalen (I₁₁-I₂₂) werden wenigstens drei, insbesondere auch alle vier, zur Auswertung in der Sensorelektronik herangezogen. Zu diesem Zweck müssen sie zunächst durch die optischen Mit tel 31 voneinander separiert werden.

Die Fig. 5A zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die optischen Mittel 31 aus Fig. 4, die es erlauben, alle vier Nah- und Fernfeldsignale gemäß den Gleichungen (7)-(10) voneinander zu trennen und dann über die separaten Glasfasern (32a-d) zu den sich in einiger Entfernung be findlichen Detektoren 33a-d zu führen.

Die beiden aus der Zwei-Moden-Faser 30 austretenden Moden werden mit einer ersten Selfoc-Linse 39a (mit einem Pitch von 0,25) zu einem Parallelstrahl kollimiert, dessen räumliche Intensitätsverteilung dem Fernfeld-Interferenz muster entspricht (der entsprechende Strahlengang 41 ist in den Fig. 5A und 5B als gestrichelte Linie angedeutet).

Der kollimierte Strahl wird mit Hilfe zweier hintereinan der angeordneter, würfelförmiger Strahlteiler 40a, b in drei Teilstrahlen aufgespalten. Zwei dieser Teilstrahlen werden mittels zweier weiterer 0,25-Pitch-Selfoc-Linsen 39b und 39d fokussiert. An den vom Strahlteiler 40b abge wandten Seiten der beiden Selfoc-Linsen 39b und 39d ent steht dann das Bild der Endfläche der Zwei-Moden-Faser 30 und folglich wieder das Nahfeld-Interferenzmuster.

Je eine der beiden Substrukturen dieses Nahfeld-Interfe renzmusters wird jeweils mit einem kurzen Stück einer Ein-Moden-Faser 42a bzw. 42b (die hier die Wirkung eines räumlichen Filters hat) herausgefiltert. Dabei ist zu be achten, daß zwei Substrukturen ausgefiltert werden, die relativ zueinander um 180° außer Phase sind, also den Signalen I₁₁ und I₁₂ entsprechen. Die ausgefilterten Nah feldsignale können dann mit Multimoden-Fasern 44a bzw. 44d, die über entsprechende Spleiße 43a bzw. 43b an die Ein-Moden-Fasern 42a bzw. 42b angespleißt sind, zu den Detektoren übertragen werden. Die Verwendung von Multimo den-Fasern bietet Kostenvorteile (z. B. kostengünstige Fa sersteckverbindungen); prinzipiell können anstelle der beiden kurzen Ein-Moden-Fasern 42a, b aber auch lange Ein- Moden-Fasern verwendet werden, welche die I₁₁- und I₁₂-Signale über die gesamte Distanz bis zu den Detektoren übertragen und damit die Multimoden-Fasern 44a und 44d ersetzen.

Im dritten Teilstrahl befindet sich eine weitere Selfoc-Linse 39c mit einem Pitch kleiner 0,25 (der Fokus liegt also in einigem Abstand außerhalb der Linse). Die Sel foc-Linse 39c bündelt den Strahl auf zwei unmittelbar ne beneinanderliegende Multimoden-Fasern 39b und 39c. Die Linsenlänge (bzw. der Pitch der Linse) ist so gewählt, daß (i) sich die vom Strahlteiler 40a abgewandte Endflä che der Linse noch im optischen Fernfeld befindet und (ii) der Strahl aber bereits so weit gebündelt ist, daß das Licht effizient in die beiden Multimoden-Fasern 39b, c eingekoppelt wird. Die Multimoden-Fasern 39b, c sind dabei so angeordnet, daß sie jeweils eine der beiden Substruk turen des Fernfeld-Interferenzmusters erfassen. Vorzugs weise wählt man Multimoden-Fasern mit einem relativ großen Kerndurchmesser und kleiner Dicke des Fasermantels (z. B. Hard Cladded Silica (HCS) Fasern mit einem 200 µm dicken Quarzglaskern und einem 15 um dicken Hartplastik-Man tel; bei genügend großem Kerndurchmesser kann auf die Selfoc-Linse 39c sogar ganz verzichtet werden). Die bei den Multimoden-Fasern führen somit die Signale I₂₁ und I₂₂ und übertragen sie zu einem zweiten Detektorpaar.

Die vier getrennten optischen Nah- und Fernfeldsignale gelangen über die Multimoden-Fasern 39a-d auf die Detek toren 33a-d, werden dort in vier elektrische Nah- und Fernfeldsignale I₁₁-I₂₂ umgewandelt und dann durch elektronische Mittel 34 ausgewertet, wie sie beispielhaft in Fig. 6A wiedergegeben sind. Diese elektronischen Mit tel 34 umfassen zwei Subtrahierer 45a, b und einen Divi dierer 47 mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang, sowie zwei Tiefpaßfilter 46a, b, welche in der in Fig. 6A angegebenen Weise miteinander verschaltet sind.

Die Fernfeldsignale (I₂₁, I₂₂) werden jeweils auf die Eingänge des ersten Subtrahierers 45a, die Nahfeldsignale (I₁₁, I₁₂) auf die Eingänge des zweiten Subtrahierers 45b gegeben. Durch Bildung der Differenz der Fernfeldsignale im ersten Subtrahierer 45a erhält man an dessen Ausgang:

I₂₁-I₂₂ = aI₀′sinΦ(t) = aI₀′sin(AsinΩt+R(t)) (A«pi/2) (11).

Mit Hilfe des ersten Tiefpaßfilters 46a wird aus diesem Differenzsignal der langsam fluktuierende Teil aI₀′sinR(t) herausgefiltert und dem Quadraturregler 37 zugeführt. Der Quadraturregler 37 regelt über den Regler ausgang 36 im Zusammenspiel mit der nachfolgenden Laser diodenregelung 38 den Betriebsstrom oder die Temperatur der Laserdiode 24 und damit die Wellenlänge (lambda) in der Weise, daß das Reglereingangssignal aI₀′sinR(t) gleich Null wird. Der Phasenunterschied R im Fernfeld wird also auf 0 oder pi (modulo 2pi) eingestellt. Dies ist möglich, weil - wie weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 8 erklärt - R eine Funktion der Wellenlänge ist. I₀′ ist hier gleich (1/3)I₀; dabei ist angenommen, daß die Strahlteilung in den optischen Mitteln 31 gemäß Fig. 5A so erfolgt, daß alle vier Nah- und Fernfeldsignale glei che Amplitude haben und keine Verluste auftreten.

Mit der Regelung der Wellenlänge ist das Signal am Aus gang des ersten Subtrahierers nun:

I₂₁-I₂₂ = aI₀′sin(AsinΩt) für R=0, 2pi, 4pi . . . bzw. = -aI₀′sin(AsinΩt) für R=pi, 3pi, 5pi . . . (12)

Die Entwicklung nach Besselfunktionen ergibt:

für kleine Amplituden A.

Die Differenz der Nahfeldsignale im zweiten Subtrahierer 45b ergibt (mit R=0, 2pi, 4pi, . . .) entsprechend:

Mit dem zweiten Tiefpaßfilter 46b (Grenzfrequenz kleiner 2Ω) werden die periodischen Anteile blockiert. Man erhält dann am Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters 46b:

I₁₁-I₁₂ = aI₀′J₀(A)≈aI₀′ (15)

für kleine Amplituden A. Durch Quotientenbildung von (13) und (15) im Dividierer 47

erhält man schließlich am Signalausgang 35 das ge wünschte Nutzsignal, welches unabhängig von Fluktuationen der Laserintensität und des Interferenzkontrastes ist.

Bei der Herleitung der Gleichung (16) wurden begrenzte Amplituden A der periodischen optischen Phasenverschie bung durch das elektrische Feld angenommen. Die nachfol gende Tabelle gibt den relativen Fehler dieser Näherung für verschiedene Werte von A an:

Tabelle

Für Phasenverschiebungen unterhalb 0,1 rad (5,7 Grad) ist der Fehler kleiner als 0,05% und damit für alle prakti schen Anwendungen vernachlässigbar.

Im Beispiel der Fig. 6A wird das Regelsignal und das Sig nal aI₀′sinΩt aus den Fernfeldsignalen I₂₁ und I₂₂ abge leitet. Die Nahfeldsignale I₁₁ und I₁₂ werden gemäß Gleichung (16) zur Normierung herangezogen. Selbstver ständlich können im Rahmen der Erfindung bei entsprechen der Abänderung der Schaltung die beiden Signale aber auch umgekehrt aus den beiden Nahfeldsignalen abgeleitet und die beiden Fernfeldsignale zur Normierung herangezogen werden.

Weiterhin ist es möglich, die beiden gewünschten Signale unter Verwendung beider Fernfeldsignale und nur eines der Nahfeldsignale zu erhalten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß anstelle der optischen Mittel 31 gemäß Fig. 5A ein vereinfachter Aufbau nach Fig. 5B verwendet werden kann. Die Anordnung aus Fig. 5B ist mit der aus Fig. 5A identisch mit Ausnahme des nicht mehr erforderli chen zweiten Strahlteilers 40b und des fehlenden zweiten Nahfeldzweiges. Aufbau und Wirkungsweise sind dieselben wie bei der Konfiguration der Fig. 3A.

Die zugehörigen elektronischen Mittel 34 sind in Fig. 6B wiedergegeben. Sie umfassen zwei Subtrahierer 48a, b, einen Addierer 50, zwei Tiefpaßfilter 49a, b, einen Ver stärker 51 (mit dem Verstärkungsfaktor 2) und einen Divi dierer 52. Die Arbeitspunktregelung und die Gewinnung des Differenzsignals I₂₁-I₂₂ erfolgen mittels des ersten Sub trahierers 48a und des ersten Tiefpaßfilters 49a auf die gleiche Weise wie bei der Schaltung gemäß Fig. 6A mit dem Unterschied, daß jetzt I₀′ gleich (1/2)I₀ ist.

Für die Signalnormierung werden zunächst aus dem Signal I₁₁ oder aus dem Signal I₁₂ die periodischen Anteile mit dem zweiten Tiefpaßfilter 49b (Grenzfrequenz kleiner 2Ω) herausgefiltert. Man erhält dann:

I₁₁ = (1/2)I₀′(1+aJ₀(A))≈(1/2)I₀′(1+a) (bzw. I₁₂≈(1/2)I₀′(1-a)) (17).

Die im Addierer 50 gewonnen Summe der Fernfeldsignale er gibt:

I₂₁+I₂₂=I₀′ (18).

Durch Multiplizieren der Gleichung (17) mit einem Faktor 2 (im Verstärker 51) und subtrahieren von I₀′ (Gleichung (18)) im zweiten Subtrahierer 48b ergibt sich:

2(1/2)I₀′(1+a)-I₀′=aI₀′ (19).

Der im Dividierer 52 gebildete Quotient aus (13) und (19) ergibt erneut am Signalausgang 35 die gewünschte Größe AsinΩt, wiederum unabhängig von der Laserintensität I₀ und dem Interferenzkontrast a. Der relative Fehler auf grund der Approximation der Besselfunktionen ist dabei der gleiche wie bei der Verarbeitung gemäß Fig. 6A.

In Fig. 7A sind die cosinus- bzw. sinusförmigen Verläufe der Amplituden AM der Differenzen der Nah- bzw. Fernfeld signale in Abhängigkeit von der Phase Φ dargestellt (man beachte den Phasenunterschied aufgrund des Guoy-Effek tes). In den beschriebenen Beispielen des Sensors nach der Erfindung wird nun der Arbeitspunkt 28 des Interfero meters über die Regelung der Wellenlänge der Laserdiode 24 so eingestellt, daß er - wie in Fig. 7A gezeigt - im linearen Teil der cos-Funktion liegt. Die vom elektri schen Feld herrührende, überlagerte, vergleichsweise kleine Signalamplitude AM gemäß Fig. 7B führt dann nur zu geringen Oberwellen, so daß auf Bandpaßfilter ver zichtet werden kann.

Wie oben bereits erwähnt, hat eine Änderung des Be triebsstromes bzw. der Temperatur der Laserdidode 24 eine Verschiebung der Laserwellenlänge δlambda zur Folge, die wiederum zu einer differentiellen Phasenverschiebung δΦ zwischen den beiden Fasermoden in der Zwei-Moden-Faser 30 führt. Der Betrag δΦ am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser 30 ist bei einer gegebenen Wellenlängenänderung δlambda abhängig von der Faserlänge L und den Faserparametern (Brechungsindexsprung zwischen Kern und Mantel und Länge der Hauptachsen der Kernellipse). Fig. 8 zeigt experimen telle (Punkte) und theoretische (Strich) Ergebnisse für den Wert (1/L)(δΦ/δlambda), die normierte Phasenverschie bung NPS, als Funktion von lambda (Delta n = 0,034; 3·2 µm² Kernellipse). Man beachte, daß die Funktion einen Nulldurchgang aufweist. Die Parameter sind dabei so zu wählen, daß die Laserwellenlänge genügend weit vom Null durchgang entfernt liegt und ein ausreichend großer Dy namikbereich (< ± pi) erreicht wird.

In dem Fall, in welchem die Wellenlänge der Laserdiode 24 über deren Temperatur geregelt wird, wird das Ausgangs signal des Quadraturreglers 37 benutzt, um die die Tempe ratur eines Peltierelementes zu steuern, das in thermi schem Kontakt mit der Laserdiode 24 steht. Abhängig vom Laserdiodentyp ergibt sich für eine Temperaturänderung von 1°C eine Wellenlängenverschiebung von bis zu 0,1 nm.

Bezeichnungsliste

1 Lichtquelle (kohärent)
2, 29 Sensorelement (piezoelektrisch)
3, 30 Zwei-Moden-Faser
4a, b Detektor
5, 24 Laserdiode
6, 25 Sensorelektronik
7, 26 Ein-Moden-Faser
8, 28 Spleiss
9, 27 Sensorkopf
10, 35 Signalausgang
11, 34 elektronische Mittel
12a, b, c Detektor
13a, b, c Multimoden-Faser
14, 31 optische Mittel
15a, b, c Selfoc-Linse
16 Strahlteiler
17 Ein-Moden-Faser
18 Spleiss
19, 41 Strahlengang
20a, b Bandpaßfilter
21a, b, c Tiefpaßfilter
22a, b Subtrahierer
23 Dividierer
32a, b, c, d Multimodenfaser
33a, b, c, d Detektor
36 Reglerausgang
37 Quadraturregler
38 Laserdiodenregelung
39a, b, c, d Selfoc-Linse
40a, b Strahlteiler
42a, b Ein-Moden-Faser
43a, b Spleiß
44a, b, c, d Multimoden-Faser
45a, b Subtrahierer
46a, b Tiefpaßfilter
47, 52 Dividierer
48a, b Subtrahierer
49a, b Tiefpaßfilter
50 Addierer
51 Verstärker (2×)
53a, b, c, d Absolutwertbildner
54 Abschwächer (Faktor 0,5)
55a, b, c Addierer
I₁₁, I₁₂ Nahfeldsignal (Intensität)
I₂₁, I₂₂ Fernfeldsignal (Intensität)
AM Amplitude
Φ Phase
E elektrisches Feld
a Interferenzkontrast
I₀′ Intensität
NPS normierte Phasenverschiebung
lambda Wellenlänge

Claims

1. Faseroptischer Sensor für elektrische Wechselfelder bzw. -Spannungen, umfassend

a) ein piezoelektrisches Sensorelement (29);
b) eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, welche optische Faser zumindest teil weise an dem Sensorelement (29) so fixiert ist, daß eine Dimensionsänderung des Sensorelements (29) in einem elektrischen Feld zu einer Längenänderung in der Faser führt; und
c) Mittel zum Messen der feldbedingten Längenänderung der Faser;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Faser eine Zwei-Moden-Faser (30) ist, deren Pa rameter so gewählt sind, daß sich in ihr der LP₀₁-Grund modus und der gerade LP₁₁-Modus ausbreiten kön nen;
e) vor dem Eingangsende der Zwei-Moden-Faser (30) eine kohärente Lichtquelle mit einer regelbaren Wellen länge angeordnet ist, welche kohärente Lichtquelle die beiden Moden der Zwei-Moden-Faser (30) anregt;
f) die Mittel zum Messen der feldbedingten Längenände rung der Faser optische Mittel (31), elektronische Mittel (34) und Detektoren (33a, b, c, d) umfassen; wo bei
g) die optischen Mittel (31) die am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (30) auftretenden Interferenzmuster in optische Nah- und Fernfeldsignale (I₁₁, I₁₂; I₂₁, I₂₂) aufteilen;
h) die Detektoren (33a, b, c, d) die optischen Nah- und Fernfeldsignale in entsprechende elektrische Nah- und Fernfeldsignale (I₁₁, I₁₂; I₂₁, I₂₂) umwandeln; und
i) die elektronischen Mittel (34) aus den elektrischen Nah- und Fernfeldsignalen (I₁₁, I₁₂; I₂₁, I₂₂) einer seits die Längenänderungs-Information und anderer seits ein Signal für die Regelung der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle gewinnen.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) die kohärente Lichtquelle als Laserdiode (24) ausge bildet ist;
b) die Wellenlänge der Laserdiode (24) über deren Be triebsstrom oder Temperatur von einer Laserdiodenre gelung (38) geregelt wird, welche ein Regelsignal aus einem Quadraturregler (37) erhält, dessen Ein gang wiederum mit den elektronischen Mitteln (34) in Verbindung steht; und
c) die Wellenlänge der Laserdiode (24) so eingeregelt wird, daß im Fernfeld zwischen den beiden interfe rierenden Moden ein Gangunterschied von ± pi/2 (modulo 2pi) besteht.

3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Mittel (31) von den zwei Substrukturen des Nahfeld-Interferenzmusters und den zwei Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmusters insgesamt zumindest drei Substrukturen optisch voneinander trennen und für die Auswertung über separate Glasfasern den De tektoren (33a, b, c, d) zuführen.

4. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Mittel (31) zur Trennung der Nah- und Fernfeldsignale (I₁₁, I₁₂; I₂₁, I₂₂) umfassen:

a) eine direkt am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (30) angeordnete erste Linse zur Kollimierung der aus der Zwei-Moden-Faser (30) austretenden zwei Mo den zu einem Parallelstrahl;
b) einen ersten, hinter der ersten Linse angeordneten Strahlteiler (40a), welcher den Parallelstrahl in zwei Teilstrahlen aufspaltet;
c) eine zweite Linse mit einer nachgeordneten ersten Auskopplungsfaser, welche zweite Linse den ersten der beiden Teilstrahlen so fokussiert, daß die End fläche der Zwei-Moden-Faser (30) auf das Ein gangsende der ersten Auskopplungsfaser abgebildet wird; und
d) eine dritte Linse mit zwei parallelen, nachgeordne ten Auskopplungsfasern, welche dritte Linse den zweiten Teilstrahl so bündelt, daß sich die Ein gangsenden der zwei Auskopplungsfasern noch im opti schen Fernfeld der Zwei-Moden-Faser (30) befindet, das Licht aber bereits effizient in die zwei Aus kopplungsfaser eingekoppelt wird, wobei jeweils eine der beiden Substrukturen des Fernfeld-Interferenzmu sters der Zwei-Moden-Faser (30) in jeweils eine der beiden Auskopplungsfasern eingekoppelt wird.

5. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) zwischen dem ersten Strahlteiler (40a) und der zwei ten Linse ein zweiter Strahlteiler (40b) angeordnet ist, welcher zweite Strahlteiler (40b) einen dritten Teilstrahl erzeugt; und
b) eine vierte Linse mit einer nachgeordneten vierten Auskopplungsfaser vorgesehen ist, welche vierte Linse den dritten Teilstrahl so fokussiert, daß die Endfläche der Zwei-Moden-Faser (30) auf das Ein gangsende der vierten Auskopplungsfaser abgebildet wird.

6. Faseroptischer Sensor nach einem der beiden Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und ggf. die vierte Auskopplungsfaser jeweils Ein-Moden-Fasern (42a, b) sind, welche als räumliche Filter wirken und je weils eine der beiden Substrukturen des Nahfeld-Interfe renzmusters der Zwei-Moden-Faser (30) herausfiltern.

7. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite und ggf. die vierte Linse jeweils eine Selfoc-Linse (39a, b, d) mit einem Pitch von 0,25 und die dritte Linse eine Sel foc-Linse (39c) mit einem Pitch kleiner 0,25 ist.

8. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Auskopplungsfaser jeweils eine Multimoden-Faser (44b, c) ist.

9. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) die elektronischen Mittel (34) zwei Tiefpaßfilter (49a, b) und einen Verstärker (51) mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang, sowie zwei Subtrahierer (48a, b), einen Addierer (50) und einen Dividierer (52) mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang, umfassen; wobei
b) auf die beiden Eingänge des ersten Subtrahierers (48a) und die beiden Eingänge des Addierers (50) die beiden elektrischen Fernfeldsignale (I₂₁, I₂₂) gelan gen, und der Ausgang des ersten Subtrahierers (48a) mit dem Eingang des ersten Tiefpaßfilters (49a) und dem ersten Eingang des Dividierers (52), und der Ausgang des Addierers (50) mit dem ersten Eingang des zweiten Subtrahierers (48b) verbunden sind;
c) auf den zweiten Eingang des zweiten Subtrahierers (48b) über das zweite Tiefpaßfilter (49b) und den nachgeschalteten Verstärker (51) eines der beiden elektrischen Nahfeldsignale (I₁₁, I₁₂) gelangt;
d) der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters (49a) auf den Eingang des Quadraturreglers (37) geschaltet ist;
e) der Ausgang des zweiten Subtrahierers (48b) mit dem zweiten Eingang des Dividierers (52) verbunden ist; und
f) der Ausgang des Dividierers (52) mit einem Signal ausgang (35) für die Abnahme des Nutzsignals in Ver bindung steht.

10. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die elektronischen Mittel (34) zwei Tiefpaßfilter (46a, b) mit jeweils einem Ein- und einem Ausgang so wie zwei Subtrahierer (45a, b) und einen Dividierer (47) mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang umfassen; wobei
b) auf die beiden Eingänge des ersten Subtrahierers (45a) die beiden elektrischen Fernfeldsignale (I₂₁, I₂₂) gelangen, und der Ausgang des ersten Sub trahierers (45a) mit dem Eingang des ersten Tief paßfilters (46a) und dem ersten Eingang des Divi dierers (47) verbunden ist;
c) auf die beiden Eingänge des zweiten Subtrahierers (45b) die beiden elektrischen Nahfeldsignale (I₁₁, I₁₂) gelangen, und der Ausgang des zweiten Sub trahierers (45b) mit dem Eingang des zweiten Tief paßfilters (46b) verbunden ist;
d) der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters (46a) auf den Eingang des Quadraturreglers (37) geschaltet ist;
e) der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters (46b) mit dem zweiten Eingang des Dividierers (47) verbunden ist; und
f) der Ausgang des Dividierers (47) mit einem Signal ausgang (35) für die Abnahme des Nutzsignals in Ver bindung steht.

11. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Zwei-Moden-Faser (30) zusammen mit dem Sensore lement (29) und den optische Mitteln (31) zur Tren nung der am Ausgangsende der Zwei-Moden-Faser (30) auftretenden Nah- und Fernfeldsignale (I₁₁, I₁₂; I₂₁, I₂₂) einen separaten Sensorkopf (27) bildet;
b) die kohärente Lichtquelle, die Detektoren (33a, b, c, d) und die elektronischen Mittel (34) Teil einer separaten Sensorelektronik (25) sind;
c) die kohärente Lichtquelle über eine polarisationser haltende Ein-Moden-Faser (26) mit dem Eingangsende der Zwei-Moden-Faser (30) optisch verbunden ist; und
d) die Detektoren (33a, b, c, d) mit den optischen Mitteln (31) durch separate Glasfasern in Form von Multimo den-Fasern (32a, b, c, d) optisch verbunden sind.

12. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Teil der Multimoden-Fasern (32a, b, c, d) vollständig durch Ein-Moden-Fasern ersetzt ist.