DE4133131C2 - Anordnung zum Bestimmen von die Lichtintensität beeinflussenden chemischen und/oder physikalischen Größen - Google Patents
Anordnung zum Bestimmen von die Lichtintensität beeinflussenden chemischen und/oder physikalischen GrößenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß der Gattung des ersten
Patentanspruchs.
Zur Steuerung von Herstellungs-, Lagerungs- und Umformungs
technologien sowie zu Kontrollmessungen im Rahmen von Umwelt
beobachtungen werden häufig Lichtleiter in Verbindung mit
faseroptischen Bauelementen und Sensoren verwendet. Wiederholt zu
bestimmende Größen sind Schadstoffkonzentrationen, Feuchte, Druck,
Temperatur, Magnetismus, Weglängen u. a. Das Hauptproblem,
insbesondere bei der Verwendung von Fasersensoren aus
Multimodenlichtwellenleitern, bei denen die zu messende Größe einen die
Lichtintensität verändernden Einfluß auf das Meßlicht ausübt, ist neben
der Einwirkung der Meßgröße die gleichzeitige unerwünschte
Beeinflussung der Lichtintensität durch die Inkonstanz von Lichtquellen,
Empfängern und Lichtübertragungswegen sowie die indirekte
Beeinflussung der Intensitätsmessungen durch die elektronischen
Bauteile, vornehmlich die Verstärker.
Zur Eliminierung der unerwünschten Einflüsse auf die Licht
intensitätsmessung wurden bereits verschiedene Wege beschritten. Aus
der JP 58-189529 A ist ein optisches Thermometer bekannt, bei dem ein
Teil des Lichtes einer Lichtquelle vor dem Eintritt in die
Fasersensoranordnung auf einen optischen Empfänger geleitet und die
Intensität des Sensorlichtes mit dem Referenzlicht verglichen wird.
Dadurch finden lediglich Einflüsse infolge der Intensitätsschwankungen
der Lichtquelle eine Berücksichtigung.
Eine andere bekannte Lösung (DE 38 11 178 A1) benutzt zusätzlich zwei
Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten
(Schwerpunktwellenlängen) der Lichtemission, wobei die
Lichtkomponenten im Sensorteil durch die zu messende Größe
hinsichtlich ihrer Intensität unterschiedlich beeinflußt werden. In dem
faseroptischen Druck- und Verschiebungsfühler, der als Fabry-Perot-
Anordnung ausgebildet ist und entsprechende Verzweiger bzw. Koppler
aufweist, wird das Licht in eine Lichtleitfaseranordnung eingekoppelt, ein
Teil des Lichtes über eine Lichtweiche vor der Meßstelle auf zwei
optoelektronische Empfänger geleitet und das von der Meßstelle zurück
kommende Licht zumindest teilweise zwei anderen optoelektronischen
Empfängern zugeführt. Die von den Empfängern aufgenommenen und
gewandelten Signale werden elektronisch miteinander verglichen und in
ein Verhältnis gesetzt. Trotz des relativ hohen Aufwandes ist mit dieser
bekannten Vorrichtung die Vermeidung von Störeinflüssen auf die zu
messende Lichtintensität bzw. die daraus herleitbare physikalische Größe
unbefriedigend. Bekanntlich sind die Streckendämpfungen von
Multimodenfasern sowie die Teilungsverhältnisse von Teilern und die
Arbeitskennlinien von Meßfühlern, die aus diesen Fasern bestehen, von
der Modenverteilung abhängig. Diese ist aber generell für das Licht
zweier Lichtquellen unterschiedlich und wird durch äußere und innere
Einflüsse, wie Temperatur, Faserbiegung, Fasersteckverbindungen,
Faserspleiße u. a. ungünstig beeinflußt. Hinzu kommt, daß unterschiedliche
optoelektronische Empfänger und Verstärker nur mit großem Aufwand
auf eine gleiche, über lange Zeit stabile Empfindlichkeit bzw. Verstärkung
gebracht werden können.
In GB 2,138,936 wird ein optisches Sensorsystem vorgeschlagen,
welches Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen λ₁ und λ₂ in der
Weise verwendet, daß das Licht der einen Wellenlänge bis unmittelbar
vor den eigentlichen Sensor und zurück geleitet wird, während das Licht
der anderen Wellenlänge nur einen ähnlichen optischen Weg nimmt und
darüber hinaus noch vom eigentlichen Sensor beeinflußt wird. Die
Messung des erstgenannten Lichtes wird zur Kompensation
irgendwelcher Transmissionsänderungen der zum Sensor führenden
Lichtleitfaser verwendet. Die Transmissionsänderungen kompensierende
Wirkung dieser Anordnung muß unbefriedigend sein, weil
- - die optischen Wege, die beide Lichtarten zurücklegen, bezüglich ihrer transmissionsbeeinflussenden Charakteristika nicht gleich sind,
- - für beide Lichtarten getrennte Detektoren benutzt werden und
- - eine "Subtraktion" der beiden Meßsignale nicht die erhoffte Kompensation bringen kann.
In der aus GB 2,016,684 bekannten Lösung, ist eine Beeinflussung der
Reflexionsfaktor-Messung durch schwankende Modenverteilungen des
Lichtes in den Sensorzuleitungen zu erwarten. Die Logarithmierung der
zu vergleichenden Lichtintensitäten und damit die logarithmische
nichtlineare Ausgabe der Intensitätswerte verhindert die Möglichkeit einer
Erfassung und Korrektur von Nullpunktdriften der optischen Empfänger
und Verstärker. Es sind keine aktiven Maßnahmen zur Unterdrückung
sehr starker Fremdlichteinstrahlungen, welche bei einseitig offenen
faseroptischen Sensoren eine wesentliche Störquelle bilden, und keine
Vorrichtungen für eine getaktete Mittelwertbildung der zeitlich
auftretenden, modulierten Lichtintensitäten der verschiedenen
Wellenlängen vorgesehen, wodurch die nutzbare Meßgeschwindigkeit
unnötig niedrig ist. Die zeitliche Schwankung der Modenverteilung bildet
auch in der Lösung nach US 4,266,878 eine wesentliche Quelle für
fehlerhafte Meßwertzuordnungen. Der Einfluß von Fremdlicht
einstrahlungen wird nur durch abgedunkelte Meßräume verhindert. Es ist
bei dieser Lösung auch nicht gewährleistet, daß die Empfänger für die
verschiedenen Wellenlängen im Referenz- und Meßkanal zeit- und
temperaturunabhängig einheitliche Empfindlichkeiten aufweisen.
Bei den bekannten Verfahren zur Auswertung der Signale von
faseroptischen Sensoren werden die Signale unterschiedlicher
Wellenlänge durch unterschiedliche Modulationsfrequenzen voneinander
getrennt und in auf diese unterschiedlichen Frequenzen abgestimmten
Lock-in-Detektoren möglichst auch getrennt empfangen. Es wird zur
Verbesserung der Rauschunterdrückung eine gleitende Mittelwertbildung
über Tiefpässe oder digitale Filteralgorithmen vorgenommen. Die
Trennschärfe zwischen den unterschiedlichen Signalanteilen ist in diesen
Fällen bei vertretbarem Realisierungsaufwand zu gering und bleibt hinter
den geforderten Genauigkeiten zurück. Außerdem lassen sie eine streng
getaktete Informationsauswertung nicht erkennen. Diese ist aber
notwendig, damit die Signale unterschiedlicher Wellenlänge zur
Vereinfachung des optischen Aufbaues aus der gleichen Lichtquelle
gewonnen werden können.
Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Mängel der bekannten
Verfahren und Vorrichtungen beseitigt und eine Anordnung zur
Bestimmung von die Lichtintensität beeinflussenden chemischen
und/oder physikalischen Größen angegeben werden, bei der die apparativ
bedingten und verfälschenden Einflüsse auf die Meßergebnisse
weitestgehend beseitigt sind. Die Auswertung der Empfängersignale soll
durch ein getaktetes Auswerteregime bezüglich der Lichtintensitäten einer
oder mehrerer Lichtquellen auf einen oder mehrere Lichtempfänger
ermöglicht werden. Im Auswertevorgang sollen Signalstörungen
unterdrückt und eine weitgehende Kanaltrennung zur Schaffung von
Fasersensoren mit hoher Genauigkeit erreicht werden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden
Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Dadurch, daß sowohl der
Referenzempfänger als auch der Meßempfänger im gleichen Rhythmus
jeweils das Referenz- und das Meßlicht von nacheinander mindestens
zwei Wellenlängenkomponenten empfangen und die daraus gewonnenen
Signale in gleicher Weise elektronisch verarbeitet werden, werden die
negativen Intensitätseinflüsse der optoelektronischen Bauelemente
beseitigt und ein von Verfälschungen freies Meßergebnis erhalten.
Erfindungsgemäß wird dabei unter wesentlicher Verwendung von
Lichtwellenleitern als Übertragungselemente grundsätzlich
folgendermaßen vorgegangen:
Zunächst wird das Licht zweier Wellenlängenkomponenten in einen Lichtwellenleiter, der eine Multimodefaser sein kann, eingekoppelt. Dabei kann jede Wellenlängenkomponente von einer Lichtquelle oder beide Wellenlängenkomponenten von derselben Lichtquelle nacheinander ausgehen. Anstatt zwei können auch mehrere Wellenlängenkomponenten verwendet werden, wodurch bspw. mehr als eine chemische und/oder physikalische Größe detektiert werden kann. Der Lichtwellenleiter wirkt erfindungsgemäß somit als gemeinsame punktförmige Lichtquelle bzgl. der Anteile der Wellenlängenkomponenten. Noch im Bereich der punkt förmigen Lichtquelle werden durch Einfügung eines Modenmischers die Lichtmoden im wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Lichtbündels verteilt. Danach wird das derart homogenisierte Licht in ein Referenz- und Meßlichtbündel geteilt, derart, daß auch die Wellenlängenkomponenten gleichmäßig im Referenz- und im Meßlichtbündel enthalten sind.
Zunächst wird das Licht zweier Wellenlängenkomponenten in einen Lichtwellenleiter, der eine Multimodefaser sein kann, eingekoppelt. Dabei kann jede Wellenlängenkomponente von einer Lichtquelle oder beide Wellenlängenkomponenten von derselben Lichtquelle nacheinander ausgehen. Anstatt zwei können auch mehrere Wellenlängenkomponenten verwendet werden, wodurch bspw. mehr als eine chemische und/oder physikalische Größe detektiert werden kann. Der Lichtwellenleiter wirkt erfindungsgemäß somit als gemeinsame punktförmige Lichtquelle bzgl. der Anteile der Wellenlängenkomponenten. Noch im Bereich der punkt förmigen Lichtquelle werden durch Einfügung eines Modenmischers die Lichtmoden im wesentlichen gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Lichtbündels verteilt. Danach wird das derart homogenisierte Licht in ein Referenz- und Meßlichtbündel geteilt, derart, daß auch die Wellenlängenkomponenten gleichmäßig im Referenz- und im Meßlichtbündel enthalten sind.
Das Referenzlicht wird auf einen Referenzempfänger geleitet und erzeugt
dort für jede Wellenlängenkomponente nacheinander ein Referenzsignal.
Die Referenzsignale werden durch elektronische Quotientenbildung
aufeinander bezogen. Das Meßlichtbündel wird über einen
Lichtwellenleiter zum Meßobjekt, das im Lichtwellenleiter enthalten sein
kann, geführt. Dort wird aufgrund der wellenlängenspezifischen Kenn
linien eines Meßfühlers und des Meßobjektes die Intensität des Lichtes
der einzelnen Wellenlängenkomponenten unterschiedlich beeinflußt. Vom
Meßobjekt gelangt das derart beeinflußte Meßlicht über den gleichen
oder einen anderen Lichtwellenleiter auf einen Meßempfänger und
erzeugt dort für jede Wellenlängenkomponente nacheinander ein
Meßsignal. Die Meßsignale der Wellenlängenkomponenten werden
ebenfalls durch elektronische Quotientenbildung aufeinander bezogen.
Es ist auch möglich, das Meßlicht jeder Wellenlängenkomponente auf das
Referenzlicht derselben Wellenlängenkomponente zu beziehen. Die derart
gebildeten Quotienten von Referenz- und Meßlicht werden ihrerseits
elektronisch aufeinander bezogen, was sich mathematisch durch die
Beziehung für eine Kombinationsgröße
ausdrücken läßt. Darin bedeuten Im und Ir die gemessenen
Lichtintensitäten am Meß- und Referenzempfänger und λ₁ und λ₂ die
zugehörigen Wellenlängenkomponenten. Die Wellenlängenkomponenten
sollen keine zu großen Unterschiede aufweisen, d. h. λ₁-λ₂ soll
möglichst 100 nm sein.
Zur Aufbereitung der Referenz- und Meßsignale sind dem Refe
renzempfänger und dem Meßempfänger je ein Impedanzverstärker mit
einem symmetrischen Gegentaktausgang, ein Differenzintegrator, für
Referenz- und Meßempfänger gemeinsam ein Wahlschalter und eine
Auswerteschaltung nachgeordnet. Die Eingangspolaritäten der
Differenzintegratoren werden im Rhythmus der Intensitätsmodulation der
Wellenlängenkomponenten umgeschaltet. In der Auswerteschaltung
werden die Quotienten der den Wellenlängenkomponenten
entsprechenden Signale des Referenzempfängers und des Meßempfängers
sowie das Verhältnis dieser Quotienten zueinander gebildet. Sind zwei
Lichtquellen vorgesehen, als Laserdioden ausgebildet und über Ein-/Aus-
Taster sowie die Steuerung der Taktung besorgende Und-Glieder mit dem
Taktgenerator verbunden, so werden beide Lichtquellen zur
Intensitätsmodulation periodisch eingeschaltet und zwischen beiden
Lichtquellen mit einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet. Die den
Wellenlängenkomponenten entsprechenden Lichtsignale werden mit einer
Wechselfrequenz in zeitlicher Reihenfolge erzeugt und mit einer weiteren,
höherfrequenten Modulationsfrequenz hinsichtlich ihrer Intensität
getastet. Meß- und Referenzsignale werden in entsprechende elektrische
Spannungen gewandelt und in jeweils einem, mit der Modula
tionsfrequenz in der Eingangspolarität umgetasteten Differenzintegrator
akkumuliert. Die Gegentakteingänge des Differenzintegrators werden von
den Ausgängen eines symmetrischen Gegentaktverstärkers gespeist,
wodurch eine besonders weitreichende Unterdrückung des Einflusses
von Fremdlicht und Verzerrungen im Verstärkungskanal erreicht wird.
Die Akkumulationsphasen der Differenzintegratoren entsprechen den
Leuchtdauern der Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängenkompo
nenten. Am Ende jeder Leuchtdauer findet die Meßwertübernahme durch
die Auswerteschaltung sowie das Rücksetzen des jeweiligen
Differenzintegrators statt. Die Meßwertübernahme kann über Analog-
Digital-Wandlung und Speicherung oder als Analogwertspeicherung
vorgenommen werden. Zur Gewährleistung der Streckenneutralität der
Lichtübertragungswege, zur Eliminierung von Driften und Alterungen der
Lichtquellen und Faserkoppelungsstrecken werden für die
unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten die Meßsignalgrößen auf
die jeweiligen Referenzsignalgrößen normiert. Die normierten Signale
werden in der oben beschriebenen Weise miteinander verknüpft.
Ist nur eine Lichtquelle vorgesehen, als Laserdiode ausgebildet und über
einen Ein-/Aus-Taster und einen Umschalter zwischen zwei
verschiedenen Stromquellen mit dem Taktgenerator verbunden, so wird
die Lichtquelle zur Intensitätsmodulation periodisch eingeschaltet und
zwischen den beiden Stromquellen mit einer niedrigeren Periodizität
umgeschaltet. Dadurch entfällt der Strahlenkoppler zur Vereinigung der
beiden Lichtwege für die Wellenlängenkomponenten. Das Referenzlicht
kann von einer Fotodiode empfangen werden, die direkt an der einen
Lichtquelle montiert ist. Für diesen Anwendungsfall ist die zeitlich
aufeinanderfolgende Taktung und die getaktete Begrenzung des
Empfangsregimes für die beiden Betriebszustände an den an die
Lichtempfänger nachgeschalteten Verstärkungs- und Störsignal-
Unterdrückungs-Schaltungen exakt notwendig.
Eine zusätzliche Unterdrückung von Drifterscheinungen ist möglich, wenn
periodisch ein Nullsignal gebildet und von den Empfangskanälen
ausgewertet wird. Dies geschieht im einfachsten Fall durch kurzzeitiges
Austasten der Lichtquellen und Subtraktion des zu dieser Zeit gebildeten
Empfangssignals von den folgenden Empfangssignalen bei aktiven
Lichtquellen. Anstelle des Austastens kann auch eine Umschaltung auf
eine andere Modulationsfrequenz, die vorzugsweise ein geradzahliges
Vielfaches der zum Nachweis benutzten Modulationsfrequenz beträgt,
benutzt werden. Letzteres ist besonders vorteilhaft bei Anwendung von
Halbleiterlaserdioden als Lichtquellen, deren Wellenlängen
bekanntermaßen von der Temperatur und damit auch von der mittleren
Strombelastung abhängt und deshalb nach einer Austastung vom
Durchschnittswert abweicht.
Das auf die beschriebene Art gebildete resultierende Gesamtsignal ist frei
von Intensitätschwankungen der Lichtquelle, von Änderungen der
Empfänger- und Verstärkerempfindlichkeiten und von modenbedingten
Übertragungs- bzw. Intensitätsänderungen und, wenn die
Wellenlängenkomponenten sich im oben angebenen Bereich
unterscheiden, ist es auch frei von wellenlängenabhängigen
Übertragungsverlusten.
Die Erzeugung der Wellenlängenkomponenten kann, wie bereits erwähnt,
mittels Halbleiterlichtquellen unterschiedlicher Emissionswellenlänge
erfolgen. Die erfindungsgemäße Zusammenführung der Lichtanteile in
eine Lichtfaser, deren Ende als gemeinsame Punktlichtquelle wirkt,
erfolgt über Y-Koppler oder Sternkoppler, deren gemeinsame
Ausgangsfaser den Modenmischer enthält. Dabei kann es sich aufgrund
der gewählten Anordnung um einfache Bauelemente handeln, deren
Koppeleigenschaften in keiner Weise modenstabil und modenunabhängig
zu sein brauchen. Bei Verwendung einer Halbleiterlaserdiode als
Lichtquelle können die Wellenlängenkomponenten auch durch in ihrem
zeitlichen Verlauf unterschiedliche Injektionsströme mit unterschiedlicher
Stromstärke erzeugt werden. Das modenmischende Bauteil kann eine
Lichtleitfaser größerer Länge sein. Es können aber auch die Lichtleitfaser
drückende und krümmende Mittel verwendet werden. Als Lichtteiler
können optische Teilerwürfel, Teilerplatten, oder faseroptische Bauteile
benutzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen
dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein zum ersten Ausführungsbeispiel gehörendes elektronisches
Blockschaltbild,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem Modenmischer und
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung mit nur einer Lichtquelle.
In Fig. 1 ist der optische Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung
dargestellt. Zwei als Halbleiterlaserdioden ausgebildete Lichtquellen 1
und 2 strahlen Lichtbündel mit einer Leistung von 200 µW und den
Wellenlängen λ₁ = 780 nm und λ₂ = 830 nm über je eine Linse 3, 4 in
einen Lichtwellenleiter 5, 6 vom PCS-Typ und 200 µm Durchmesser ab.
Die Lichtwellenleiter 5, 6 werden durch einen Koppler 7 vom Y-Typ zu
einem einzigen Lichtwellenleiter 8 vereinigt, der an einer Linse 9 vor
einem Strahlenteilerwürfel 10 endet. Der Strahlenteilerwürfel 10 teilt das
Lichtbündel mit den beiden Wellenlängenkomponenten λ₁ und λ₂ und der
Gesamtlichtintensität I zu jeweils 50% in ein Referenzlichtbündel 11 mit
der Referenzintensität Ir und ein Meßlichtbündel 12 auf. Das
Referenzlichtbündel 11 gelangt zu einem Referenzempfänger 13, der als
Siliziumfotodiode mit einer aktiven Fläche von 5 mm² ausgebildet sein
kann. Das Meßlichtbündel 12 tritt durch eine Linse 14 in einen Licht
wellenleiter 15 ein, der dem oben genannten Lichtwellenleiter 8 gleicht
und der das Meßlichtbündel 12 zu einem Meßobjekt 16 leitet, das über
einen ebenfalls gleichen Lichtwellenleiter 17 das Meßlichtbündel mit der
Meßlichtintensität Im zu einem Meßempfänger 18 reflektiert, der vom
gleichen Typ ist wie der Referenzempfänger 13.
Die zu bestimmende physikalische Größe soll im vorliegenden
Ausführungsbeispiel die relative Luftfeuchtigkeit sein. Sie wird über eine
empirisch gewonnene Eichkennlinie aus der Kombinationsgröße K
ermittelt, die sich aus den mit Hilfe der Empfänger 13 und 18 ermittelten
Intensitäten Ir, Im und den Wellenlängen λ₁, λ₂ errechnen läßt, und zwar
ist
Zur Bildung der elektrischen Signale, die den optischen Intensitäten Im
und Ir entsprechen, wird die in Fig. 2 dargestellte elektrische Schaltung
benutzt.
An den Referenzempfänger 13 und den Meßempfänger 18 schließen sich
Transimpedanzverstärker 19 bzw. 20 mit symmetrischen Gegentaktaus
gängen an, die mit symmetrischen Gegentaktausgängen eines jeweiligen
Differenzintegrators 21 bzw. 22 verbunden sind. Die Differenz
integratoren 21, 22 haben Zeitkonstanten von 0,01 s und werden mit in
einem Taktgenerator 34 enthaltenen CMOS-Umschaltern über einen
Steueranschluß 35 hinsichtlich ihrer Eingangspolarität im Rhythmus einer
Modulationsfrequenz f₁=5750 Hz der Lichtquellen 1 und 2 umgekehrt.
Während eine der Lichtquellen 1, 2 leuchtet, wird in diesem Fall aufwärts
integriert und während der gleich langen Austast-Halbperiode von f₁ wird
abwärts integriert und somit asynchrone Fremdlichteinflüsse kompensiert.
Nach Abschluß eines Integrationszyklus, in dem z. B. die Lichtquelle 1
aktiv war und der annähernd einer halben Periode einer Frequenz
f₂=22,5 Hz entspricht, werden über einen Steueranschluß 23 und einen
Wahlschalter 24 die Integrationssummen im Bereich von 0 bis +4V in
einer Auswerte- und Speicherschaltung 25 in analoger oder digitaler Form
gespeichert, die in der Formel für K angegebenen Rechenoperationen
ausgeführt und mit Hilfe einer in der Auswerte- und Speicherschaltung 25
befindlichen Eichkorrelationsdatei die zugehörige relative Feuchte be
stimmt. Nach der Übernahme der Integrationssummen, für die im
Ausführungsbeispiel 35 µs Zeit beansprucht wird, werden über einen
Steueranschluß 26 die Differenzintegratoren 21 und 22 für die Dauer von
0,6 ms zurückgesetzt. Bei der nun folgenden Halbperiode von f₂ beginnt
die aktive Leuchtperiode der vorher inaktiven Lichtquelle 2 und
dementsprechend ein neuer Integrationszyklus.
Die als Laserdioden ausgebildeten Lichtquellen 1 und 2 werden durch
Konstantstromquellen 27, 28 gespeist. Die Modulation erfolgt über
bipolare Ein-/Aus-Taster 29, 30. Der Steuerung der Tastung dienen Und-
Glieder 31, 32 mit der Modulationsfrequenz f₁ während der jeweils
aktiven Phase, die durch die entsprechende Halbperiode von f₂, abzüglich
der Übernahme (aktive Phase der Steuerleitung 23) und Rücksetzung
(aktive Phase der Steuerleitung 26) notwendige Zeitdauer gegeben ist.
In bestimmten Zeitabständen, die abhängig von den zu erwartenden
Driften frei wählbar sind, werden für wenigstens eine Periodendauer der
Frequenz f₂ die Nullsignale ohne aktive Lichtquellen bestimmt. An einem
steuerbaren Umschalter 33 kann diese inaktive Phase durch einfaches
Ausschalten der Lichtquellen oder vorteilhaft durch Verdoppelung der
Modulationsfrequenz auf 2 f= 11500 Hz eingestellt werden. Die
Verdoppelung der Modulationsfrequenz vermeidet thermische
Eigenschwingungen und damit Wellenlängendriften der Laserdioden
unmittelbar nach dieser Nullpunktsbestimmung.
In Fig. 3 ist die optische Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels
dargestellt. Die von den Lichtquellen 1 und 2 ausgehenden
Lichtwellenleiter (Lichtleitfasern) 5, 6 werden im Y-Koppler 7
zusammengefaßt und damit die Wellenlängenkomponenten λ₁ und λ₂
weitestgehend gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des
anschließenden Lichtwellenleiters 8 verteilt. Ein den Lichtwellenleiter 8
verformender Modenmischer 36 in Form von den Lichtwellenleiter 8
verdrückenden Stäben besorgt eine gleichmäßige Mischung der
Lichtmoden über den gesamten Wellenleiterquerschnitt. Ein
faseroptischer Teiler (Spleiß) 37 teilt das den Lichtwellenleiter 8
durchfließende Lichtbündel in ein Referenzlichtbündel, das über einen
Referenzlichtwellenleiter 38 zum Referenzempfänger 13 gelangt, und ein
Meßlichtbündel, das über einen Meßlichtwellenleiter 39 mit
Steckverbindungen 40, 41 zum Meßobjekt 16 geleitet wird, das in den
Meßlichtwellenleiter 39 integriert sein kann. Das vom Meßobjekt 16
beeinflußte Meßlichtbündel wird durch den Meßlichtwellenleiter 39
zurück zum Spleiß 37 und von diesem über einen Lichtwellenleiter 42
zum Meßempfänger 18 geleitet. Als elektronische Auswertevorrichtung
kann die zu Fig. 2 beschriebene Anordnung dienen.
Anstelle der von außen auf die optische Faser 8 einwirkenden Stäbe 36
können zur Modenmischung auch vorzugsweise unebene Platten oder dgl.
verwendet werden oder die optische Faser 8 selbst kann eine größere
Länge aufweisen und vorzugsweise spulenförmig gewickelt sein.
Fig. 4 zeigt eine besonders wenig aufwendige Ausführungsform unter
Verwendung eines einzigen Lichtquellenmoduls 43, der in an sich
bekannter Weise aus einer Halbleiterlaserdiode 44 und einer
Referenzempfangsdiode 45 besteht. Die Halbleiterlaserdiode 44 strahlt bei
einem Strom von 65 mA Licht der Wellenlänge λ₁ = 777 nm und bei
einem Strom von 85 mA Licht der Wellenlänge λ₂ = 782 nm aus, das
über eine Linse 46 und einen Lichtwellenleiter 47 zum Meßobjekt 16
gelangt. Das Meßobjekt (Sensormedium) 16 ist durch entsprechende
Dicken einer reflektierenden Schichtkombination so ausgelegt, daß die
Änderungen der Reflexion mit sich ändernder relativer Feuchte bei diesen
beiden Wellenlängen gegenläufig erfolgt. Vom Meßobjekt 16 wird das
Meßlichtbündel durch einen Lichtwellenleiter 48 zum Meßempfänger 18
reflektiert. Wird die in Fig. 2 dargestellte elektronische Anordnung zur
Auswertung benutzt, so vereinfacht sie sich in der Weise, daß die
Konstantstromquellen 27, 28 für die beiden o. g. Ströme auf die gleiche
Lichtquelle 44 geschaltet werden. Bei dieser Form der
Wellenlängenumschaltung in ein und denselben Übertragungskanal ist die
erfindungsgemäße Bildung von zeitlich gemittelten, von Störlichteinflüssen
befreiten elektrischen Signalen besonders günstig.
Das Sensormedium 16 ist im Falle des Feuchtesensors eine poröse
Isolatorschicht mit einem porösen reflektierenden Überzug. Zur
Temperaturmessung kann es in einem anderen Anwendungsfall mit einem
hermetisch dichten Überzug versehen sein.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf die Anwendung bei
faseroptischen Sensoren beschränkt. Es können beliebige optische
Sensoren bzgl. einer chemischen oder physikalischen Meßgröße benutzt
werden, die das wellenlängen-, polarisations-, zeit- oder
intensitätsabhängige Extinktions- oder Reflexionsvermögen zur
quantitativen Analyse nutzen. Die Umschaltung erfolgt sinngemäß
zwischen unterschiedlichen Werten des Betriebsparameters, dessen
Abhängigkeit von der jeweiligen Meßgröße ausgenutzt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es auch möglich, mehrere
chemische und/oder physikalische Größen im wesentlichen gleichzeitig
abzufragen. Dies kann beispielsweise durch die Anordnung mehrerer
Meßlichtbündel, Sensormedien bzw. Meßempfänger geschehen.
Claims (10)
1. Anordnung zum Bestimmen von die Lichtintensität beeinflussenden
chemischen und/oder physikalischen Größen, bei der von wenigstens
einer Lichtquelle Licht mit mindestens zwei Wellenlängenkomponenten
zu einem Lichtteiler ausgesandt wird, der das Lichtbündel in ein
Referenzlichtbündel und ein Meßlichtbündel teilt, wobei das
Referenzlichtbündel zu einem Referenzempfänger und das
Meßlichtbündel über ein Meßobjekt zu einem Meßempfänger gelangt,
daß ein Taktgenerator zur Erzeugung von Takten vorgesehen ist, in
denen alternierend die Wellenlängenkomponenten zum
Referenzempfänger und zum Meßempfänger gelangen, daß dem
Referenzempfänger und dem Meßempfänger jeweils ein
Quotientenbildner nachgeordnet ist, der aus den, den
Wellenlängenkomponenten entsprechenden Signalen des Referenz
empfängers und des Meßempfängers jeweils einen Quotienten bildet,
und daß ein Verhältnisbildner vorgesehen ist, der aus diesen
Quotienten der einzelnen Wellenlängenkomponenten ein Verhältnis
ableitet, dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel vorgesehen sind, die das Licht genannter unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten gebündelt zu einer kontinuierlich sendenden Sekundarlichtquelle zusammenführen, die vor genanntem Lichtteiler angeordnet ist,
und daß dem Referenzempfänger und dem Meßempfänger je ein Impedanzverstärker mit einem symmetrischen Gegentaktausgang, ein Differenzintegrator, für Referenz- und Meßempfänger gemeinsam ein Wahlschalter und eine Auswerteschaltung nachgeordnet sind, wobei die Eingangspolaritäten der Differenzintegratoren im Rhythmus der Intensitätsmodulation der Wellenlängenkomponenten umgeschaltet werden und in der Auswerteschaltung die Quotienten der den Wellenlängenkomponenten entsprechenden Signale des Referenzempfängers und des Meßempfängers sowie das Verhältnis dieser Quotienten zueinander gebildet werden.
daß Mittel vorgesehen sind, die das Licht genannter unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten gebündelt zu einer kontinuierlich sendenden Sekundarlichtquelle zusammenführen, die vor genanntem Lichtteiler angeordnet ist,
und daß dem Referenzempfänger und dem Meßempfänger je ein Impedanzverstärker mit einem symmetrischen Gegentaktausgang, ein Differenzintegrator, für Referenz- und Meßempfänger gemeinsam ein Wahlschalter und eine Auswerteschaltung nachgeordnet sind, wobei die Eingangspolaritäten der Differenzintegratoren im Rhythmus der Intensitätsmodulation der Wellenlängenkomponenten umgeschaltet werden und in der Auswerteschaltung die Quotienten der den Wellenlängenkomponenten entsprechenden Signale des Referenzempfängers und des Meßempfängers sowie das Verhältnis dieser Quotienten zueinander gebildet werden.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit
dem Taktgenerator verbundene Lichtquelle, vorzugsweise eine
Halbleiterlaserdiode vorgesehen ist, die im vorgegebenen Takt von
einer Wellenlängenkomponente auf die andere umgeschaltet wird.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Bildung und Führung der Lichtbündel zumindest teilweise optische
Fasern und Faserbauelemente vorgesehen sind.
4. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Lichtquelle ein Lichtteiler nachgeordnet und zwischen Lichtquelle und
Lichtteiler ein Modenmischer vorgesehen ist.
5. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als Referenzempfänger eine Fotodiode direkt an
der Lichtquelle angeordnet ist.
6. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtteiler, dem Meßobjekt und
dem Meßempfänger nur ein Lichtleiter besteht.
7. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwei Lichtquellen vorgesehen, als Laserdioden
ausgebildet und über Ein-/Aus-Taster sowie die Steuerung der Taktung
besorgende Und-Glieder mit dem Taktgenerator verbunden sind, so
daß beide Lichtquellen zur Intensitätsmodulation periodisch
eingeschaltet werden und zwischen beiden Lichtquellen mit einer
niedrigeren Periodizität umgeschaltet wird.
8. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Lichtquelle vorgesehen, als Laserdiode
ausgebildet und über einen Ein-/Aus-Taster und einen Umschalter
zwischen zwei verschiedenen Stromquellen mit dem Taktgenerator
verbunden ist, so daß die Lichtquelle zur Intensitätsmodulation
periodisch eingeschaltet und zwischen den beiden Stromquellen mit
einer niedrigeren Periodizität umgeschaltet wird.
9. Anordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine
Stromquelle zwischen den verschiedenen Ausgangsströmen mit einer
niedrigeren Periodizität umgeschaltet wird.
10. Anordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß am Meßobjekt ein aus einer reflektierenden
Kombination von Schichten unterschiedlicher Dicke bestehendes
Sensormedium vorgesehen ist, dessen Reflexion bei beiden
Wellenlängenkomponenten sich mit ändernder chemischer und/oder
physikalischer Größe gegenläufig ändert.
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