DE4322291A1 - Optische Kraftmeßeinrichtung - Google Patents
Optische KraftmeßeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine optische Kraftmeßeinrichtung mit frequenzanalogem
Ausgangssignal, die zur Messung der Kraft oder einer daraus abgeleiteten
Meßgröße, wie Beschleunigung, Druck oder Masse, eingesetzt werden kann.
Die Kraftmeßeinrichtung ermöglicht als eine monolithisch-optische Anordnung
aus laseraktivem und photoelastischem Kristallmaterial die präzise Sensierung
von Kräften. Sie weist einen frequenzanalogen Ausgang auf und nutzt die Vor
teile der optischen Signalübertragung in Verbindung mit Frequenzsignalen, so
daß das Meßsignal dieser Kraftmeßeinrichtung unabhängig von Intensitäts
schwankungen wird, die durch die Übertragungsstrecke verursacht werden
können. Diese Kraftmeßeinrichtung kann auch in leicht modifizierter Ausführung
zur Messung der von einer Kraft abgeleiteten physikalischen Größen
(Beschleunigung, Masse) angewandt werden.
Aus der wissenschaftlichen Literatur ist bekannt, daß Laseroszillatoren mit
resonatorinterner Phasenanisotropie Strahlungsanteile mit orthogonalen Polari
sationsebenen emittieren können (M. Doyle, M. B. White, Appl. Phys. Lett,
(1964), 10, Seite 193-195).
Es ist aus mehreren Patenten (Patent US 3,517,560, US 3,786,681,
US 3,800,594, US 4,048,859), die den resonatorinternen photoelastischen Effekt
nutzen, bekannt, wie die Kraft optisch gemessen werden kann. Diesen Paten
ten ist allen gemeinsam, daß sie einen hybriden Aufbau beschreiben, d. h. die
Nutzung eines laseraktiven Materials und eines weiteren photoelastischen
Materials. Als laseraktives Material wird in diesen Patentschriften immer ein
Gas (z. B. He-Ne-Gemische) angegeben, das sich in der Regel in einem durch
transparente Fenster abgeschlossenen Volumen befindet. Als kraftsensieren
des Element ist zusätzlich ein photoelastisches Material in dem Resonator an
geordnet.
Ein weiterer Lösungsvorschlag zur Messung der Kraft oder der Beschleunigung
ist in der deutschen Patentschrift DE 26 33 178 enthalten. Hier wird zusätzlich
eine aktive Stabilisierung einer der orthogonal polarisierten optischen Moden im
Resonator vorgeschlagen, mit der eine Unterdrückung von Störeinflüssen, wie
Temperatur, Vibration usw., erreicht wird.
Es wird somit bisher davon ausgegangen, daß diese resonatorinternen photo
elastischen optischen Kraftsensoren immer ein laseraktives Material und ein
davon getrenntes photoelastisches Material benötigen.
Die Messung der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung mittels laseropti
scher Systeme, die ein frequenzanaloges Ausgangssignal erzeugen, ist für die
meßtechnische Industrie von Bedeutung und somit Gegenstand neuerer Paten
te und Offenlegungsschriften (US 4233 847, EP 0229 448, DE 36 19 498 A1,
US 4841 774).
Von Nachteil bei den zuvor angegebenen Kraftmessern ist, daß durch den Ein
satz mehrerer Bauteile (Gasentladungsstrecke als laseraktives Material mit Ab
schlußfenstern und photoelastisches Material) in einem Resonator die Grenz
flächen (Anzahl n) der Bauteile unerwünschte Subresonatoren (Anzahl:
0,5n · (n+3)) bilden, die im allgemeinen die Auflösung des Kraftsensors durch
eine erhöhte Frequenzinstabilität vermindern und die Störanfälligkeit des Sy
stems erhöhen. Weiterhin kann die Kraftmessung mit den bislang vorgeschla
genen Kraftmeßgeräten fehlerhaft sein, wenn durch eine äußere Störung die
relative Lage zwischen dem Sensorelement und der Strahlachse des Resona
tors verändert wird. Außerdem haben die bisher vorgeschlagenen Kraftmeßein
richtungen auf Grund ihrer modularen Bauweise und der schwachen optischen
Verstärkungsfaktoren der Gasentladungsstrecken große Resonatorlängen.
Diese großen Abmessungen bedingen eine geringe Empfindlichkeit und nur
eingeschränkte Nutzbarkeit für industrielle Anwendungen. Weiterhin werden in
allen bekannten technischen Lösungen Glas- bzw. Glasfasermaterialien zur
photoelastischen Kraftwandlung vorgeschlagen bzw. verwendet. Diese Materia
lien sind jedoch eingefrorene unterkühlte Flüssigkeiten und zeigen wegen ihrer
vergleichsweise hohen Atombeweglichkeit deutliche Kriech- und Hysteresefeh
ler bei der Kraftmessung. Bei Verwendung von Glasfasern mit plastischen
Kern- bzw. Manteleigenschaften ist dieses ungünstige Verhalten extrem ver
stärkt. Diese Nachteile verhindern eine genaue Kraftmessung und sind bislang
überhaupt nicht erkannt worden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber dem aufgezeigten
Stand der Technik die Anzahl der Bauteile im Resonator des Sensor-Oszillators
der Kraftmeßeinrichtung zu minimieren und somit die Anzahl der störenden
resonatorinternen Grenzflächen zu verringern. Außerdem soll die Möglichkeit
der Verlagerung zwischen Aufnehmerelement und Resonatorachse minimiert
werden und die Baugröße verringert werden. Die Meßempfindlichkeit sollte ge
steigert werden, um in Verbindung mit einer hohen Laserstabilität eine deutlich
geringere untere Meßgrenze zu realisieren. Thermische Störeffekte, die z. B.
bisher durch die Verwendung einer Gasentladung als optischen Verstärker be
dingt sind, sollten verringert werden. Die sekundären mechanischen Kontakte,
die z. B. zur Energieversorgung des Meßsystems notwendig sind, sollen mini
miert werden. Kriech- und Hystereseeffekte sollen soweit wie möglich durch
die richtige Wahl des photoelastischen und laseraktiven Materials vermieden
werden.
Diese Aufgabe wird durch die Meßeinrichtung, die durch die Merkmale des An
spruches 1 sowie die Unteransprüche 1 bis 5 gekennzeichnet wird, gelöst.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Die
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung eines monolithischen optischen Sensor-
Oszillators, die Fig. 2 zeigt eine modulare Realisierung, die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen
jeweils ein Ausführungsbeispiel für fasergekoppelte optische Sensor-Oszillatoren in
monolithischer Technik, die Fig. 5 erläutert die Anwendung eines aktiven Stabilisie
rungsverfahrens, welches erforderlichenfalls eingesetzt werden kann.
Anhand des in Fig. 1 näher beschrieben Grundprinzips wird der Erfindungsgedanke
verdeutlicht. In dieser Meßeinrichtung bilden die Spiegel 104 und 105 zusammen mit
dem photoelastischen laseraktiven Kristallmaterial 101 einen phasensteuerbaren
Resonator. Der Spiegel 104 ist hochgradig transparent für die zur Anregung des
Lasers notwendige Pumpstrahlung der Wellenlänge λPump, die z. B. von einer
Laserdiode 102 erzeugt wird, und gleichzeitig hochgradig reflektierend für die Laser
wellenlänge λLas. Anstelle dieser longitudinal eingestrahlten Pumpstrahlung ist auch
transversales Pumpen, d. h. seitliche Einstrahlung in den Kristall, möglich. Auf das in
einem Halter gelagerte photoelastische Material wirkt die Eingangsgröße Kraft F und
induziert in dem Material 101 eine mechanische Spannungsverteilung, die eine
veränderte Phasendifferenz in dem Material erzeugt. Die Frequenzänderung ΔFSR
eines phasenanisotropen Resonators zwischen den Resonanzstellen ν₁, ν₂ einer
Resonanzordnung wird durch den Gesamtanisotropiegrad A (Holzapfel, W.;
Settgast, W.; Technisches Messen tm 57 (1990) 9, Seite 323-334) gekennzeichnet,
der sich aus den Polarisationsebenen zugeordneten Anisotropiegraden A₁ und A₂ zu
A = A₂ - A₁ berechnet. Es gilt
ΔFSR = FSR · A (1)
mit FSR = c/2L′res: Freier Spektralbereich des Resonators,
c: Lichtgeschwindigkeit,
L′res = n · LRes optische Resonatorlänge,
n: optische Brechzahl.
c: Lichtgeschwindigkeit,
L′res = n · LRes optische Resonatorlänge,
n: optische Brechzahl.
Wirkt die Kraft F bei paralleler Ausrichtung zwischen Kraft und einer durch die Rest
phasenanisotropie vorgegebenen Polarisationsebenen auf das photoelastische Ma
terial 101 des Durchmessers D ein, dann ändern sich die Anisotropiegrade A₁ und
A₂ und zwar
A₁ = - G · (C₀/λLas · D)) · F
A₂ = G · (C₀/λLas · D)) · F (2)
A₂ = G · (C₀/λLas · D)) · F (2)
mit C₀: photoelastischer Koeffizient des Materials,
λLas: Wellenlänge des Lasers,
G: Geometriefaktor des Aufnehmerelementes.
λLas: Wellenlänge des Lasers,
G: Geometriefaktor des Aufnehmerelementes.
Für die Frequenzänderung ΔFSR gilt dann die eine lineare Abhängigkeit
ΔFSR = 2 · FSR · G · (C₀/λLas · D)) · F (3).
Wird das photoelastische Kristallmaterial, welches erfindungsgemäß gleichzeitig
laseraktive Eigenschaften aufweist, z. B. Nd : YAG-Kristalle, durch eine geeignete
Strahlungsquelle 102 und Einkopplung 103 optisch gepumpt, so wird aus dem passi
ven phasenanisotropen Resonator ein aktiver Laser, der die optischen Frequenzen
ν₁ und ν₂ emittiert. Dieser Laser enthält somit nur ein Bauteil, welches die Funktion
des verstärkenden Mediums für den Laser und die des Sensormaterials erfüllt.
Die Differenz zwischen den beiden ausgekoppelten optischen Frequenzen muß
elektronisch gemessen werden, um ein kraftproportionales Signal zu erhalten. Die
Messung kann mit einer optischen Überlagerungseinrichtung und den üblichen Aus
werteverfahren erfolgen, d. h. Abbildung der Strahlung auf eine gemeinsame Schwin
gungsebene mit einem Polarisator und anschließende Überlagerung der Strahlungs
anteile auf einer Photodiode zur Bildung der Mischfrequenz, die mit einem elektroni
schen Zähler oder einem elektronischen Spektrumanalysator gemessen wird.
Durch die Verwendung eines photoelastischen und gleichzeitig laseraktiven Materials
mit kristalliner Struktur (z. B. Nd : YAG) werden in geschickter Weise folgende Vorteile
kombiniert:
- 1) Bei der photoelastischen Wandlung der Kraft in die Frequenz treten keine stö renden Kriech- und Hystereseeffekte auf, weil durch die Gitterstruktur des kri stallinen Wandlermaterials im Gegensatz zu Gläsern keine Beweglichkeit der Atome unter Krafteinfluß möglich ist.
- 2) Die optische Linienbreite des Laserlichtes ist bei gleicher Dotierung für kristalli nes Wirtsmaterial (z. B. neodymdotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall: Nd : YAG) wesentlich schmaler als für isotropes Wirtsmaterial (z. B. neodym dotiertes Glas). Bei hinreichend hoher Stabilität der Laserwellen-Mittenfrequenz und hoher Meßempfindlichkeit (d. h. kurze Resonatorlänge) kann daher mit dem kristallinen Lasermaterial die untere Meßgrenze (Auflösung) deutlich ver bessert werden.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 bilden die Spiegel 104 und 105 und das photoelasti
sche, laseraktive Material 101 einen monolithischen Sensor-Oszillator. Diese Ausfüh
rungsform bietet die Möglichkeit, sehr kompakte, störunempfindliche kraftmessende
optische Sensor-Oszillatoren herzustellen, da alle Grenzflächen im Resonator, die
störende Auswirkungen erzeugen können, eliminiert sind. Eine hohe Meßempfind
lichkeit wird erzielt, wenn bei der Dimensionierung des Sensor-Oszillators ein mög
lichst kurzer Resonator verwendet wird.
Ist eine definierte Offsetfrequenz notwendig, so kann diese mit einem resonatorinter
nen phasenanisotropen Element (Fig. 2, 206), wie z. B. einem λ/8-, λ/4-Element oder
durch entsprechende optische Schichten auf einem der Resonatorspiegel, eingestellt
werden.
Die Ausführung nach Fig. 3 verdeutlicht, wie eine vollständig fasergekoppelte Kraft
meßeinrichtung aufgebaut sein kann. Hier wird die Pumpstrahlung der Strahlungs
quelle 301 falls notwendig mittels einer Optik 302 eingekoppelt in einer optischen
Faser 303 geführt und in den Sensor-Oszillator eingespeist. Die vom Sensor-Oszilla
tor (304, 305, 306) emittierte Strahlung wird ebenfalls vom Oszillator über eine Faser
308 zu der Auswerteeinheit 309 geführt. Damit ist es möglich, einen Sensor-Oszilla
tor zu realisieren, der auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden
kann. Die opto-elektronischen Bauteile, wie Strahlungsquelle 301 und Auswerteein
heit 309, können abgesetzt vom Sensor-Oszillator in einer Einheit zusammengefaßt
werden. In einer alternativen Realisierung können zur Versorgung mehrerer Sensor-
Oszillatoren Leistungsteiler in faseroptischer Ausführung verwendet werden.
Die Ausführung nach Fig. 4 vereinfacht die faseroptische Ankopplung dadurch, daß
nur eine Faser 405 für die Zuführung der Pumpstrahlung zum Sensor-Oszillator 406,
407 und für die Fortleitung der Signalstrahlung verwendet wird. Die Trennung 403
der Signalstrahlungsanteile von denen der Pumpstrahlung erfolgt z. B. mit einem
dichroitischen Strahlteiler oder über einen wellenlängenabhängigen Faserkoppler.
Die Verwendung nur einer Faser erleichtert die Möglichkeit, die Versorgungs- und
Auswerteeinheit für mehrere Sensor-Oszillator-Module zu verwenden. Dafür wird die
Ankopplung der Faser an den Sensor-Oszillator z. B. mit einem Faserstecker genü
gender Präzision durchgeführt, der keine weitere Justage benötigt. Somit ist eine
einfache Anpassung des Meßbereiches und der Meßempfindlichkeit über einen Aus
tausch des Sensor-Oszillators möglich.
Die Ausführung nach Fig. 5 erlaubt über die vorgesehene Regeleinrichtung (502 bis
506) die Art der Frequenzverstimmung der beiden optischen Frequenzen ν₁, ν₂ zu
verändern. Je nach Einstellung der Regelschaltung erfolgt bei einer Krafteinwirkung
die Variation der Frequenz symmetrisch oder asymmetrisch zur Ausgangsabstim
mung der Signalanteile. So wird gewährleistet, daß bis zur maximalen Krafteinwir
kung die optischen Moden innerhalb der laserfähigen Bandbreite bleiben und so die
obere Meßgrenze maximal ausgenutzt wird. Mit einer Regeleinrichtung ist eine aktive
Kompensation der polarisationsunabhängigen Störungen möglich, so daß eine Ver
besserung der Auflösung durch höhere Laserstabilität gegeben ist.
Claims (6)
1. Hochempfindliche optische Kraftmeßeinrichtung mit frequenzanalogem, elektri
schem Ausgangssignal,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Kraftmeßeinrichtung aus einem
nach den Unteransprüchen 1-4 gekennzeichneten kraftgesteuerten optischen
Sensor-Oszillator und gegebenenfalls aus einer nach dem Unteranspruch 5 ge
kennzeichneten Stabilisierung besteht.
2. Optischer Sensor-Oszillator der hochempfindlichen optischen Kraftmeßeinrich
tung mit frequenzanalogem Ausgangssignal,
dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem starren, kräfteausleitenden Gestell
(100) verbundene Sensorelement (101) aus einem laserfähigen Kristall
(geometrische Länge L) mit photoelastischen Eigenschaften besteht, welcher
mittels der Strahlungsquelle (102) auf der Wellenlänge λPump, die auf die laser
aktiven Eigenschaften des Materials abgestimmt ist und über die Optik (103) in
das Sensorelement (101) einkoppelt, optisch gepumpt wird, und an seinen
Enden beide Resonatorspiegel (104 und 105) trägt und so einen vollmono
lithischen optischen Sensor-Oszillator der geometrischen Länge LRes = L bildet,
auf den als Eingangsgröße die Kraft F in orthogonaler Richtung zur Resonator
achse einwirkt und die ausgekoppelten orthogonal polarisierten
Strahlungsanteile der Wellenlänge λLaser hinsichtlich ihrer Frequenzen ν₁und
ν₂ verändert, so daß durch die optische Überlagerungseinrichtung (106) ein
frequenzanaloges elektrisches Ausgangssignal mit der Frequenz f = |ν₂ - ν₁|
entsteht, welches von der Kraft F abhängt.
3. Variante der optischen Kraftmeßeinrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor-Oszillator aus zwei zueinander
ausgerichteten separaten Resonatorspiegeln (203 und 205), einem separaten
optischen Sensorelement (204) mit photoelastischen und laseraktiven
Eigenschaften oder aus einem separaten Resonatorspiegel (203 oder 205),
einem separaten Sensorelement (204) mit photoelastischen und laseraktiven
Eigenschaften, welches den zweiten Resonatorspiegel (203 oder 205) trägt und
ggf. noch weiteren separaten resonatorinternen Bauteilen (206), die eine
Phasenanisotropie zur Grundaufspaltung der Resonanzfrequenzen ν₁ und ν₂,
erzeugen, sowie einer externen Strahlungsquelle (201), die auf die laseraktiven
Eigenschaften des Materials abgestimmt ist und deren Strahlung λPump über
eine Einkoppeloptik (202) dem optischen Material (204) zugeführt wird, besteht
und dieser Sensor-Oszillator seine orthogonal polarisierten
Strahlungskomponenten auf der Wellenlänge λLaser mit den Frequenzen ν₁ und
ν₂, die von der Kraft F abhängen, abstrahlt und mittels der optischen
Überlagerungseinrichtung (207) das elektrische Ausgangssignal mit der
kraftabhängigen Frequenz f gebildet wird.
4. Variante der optischen Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Leistung, die durch die Pumpquelle
(301) zur Anregung der Lasertätigkeit erzeugt wird, über eine Einkoppeloptik (302)
und eine Lichtleitfaser (303) zugeführt wird und daß die aus dem Auskoppel
resonatorspiegel austretende Laserstrahlung mit den Frequenzen ν₁, ν₂ des
Sensor-Oszillators (305) mit Resonatorspiegeln (304, 306) mittels einer Optik (307)
in eine optische Lichtleitfaser (308) ein gekoppelt wird und über diese Faser zu
der optischen Überlagerungseinrichtung (309) geleitet wird, so daß ein
elektrisches Frequenzsignal f erzeugt wird, welches proportional zu der
einwirkenden Kraft F ist.
5. Variante der optischen Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Leistung, die durch die Strahlungs
quelle (401) zur Anregung der Lasertätigkeit erzeugt wird, über eine Einkoppel
optik (402), einen wellenlängenabhängigen Strahlteiler (403), eine Anpassungs
optik (404), eine Lichtleitfaser (405) und eine bidirektionale Kollimationsoptik (406)
dem Sensor-Oszillator (407) zugeführt wird und daß die aus dem Auskoppel
resonatorspiegel austretende Laserstrahlung mit den Frequenzen ν₁, ν₂ mit der
Optik (406) wieder in die optische Lichtleitfaser (405) eingekoppelt wird und über
diese Faser und den wellenlängenabhängigen Strahlteiler (403) zu der optischen
Überlagerungseinrichtung (408) geleitet wird, so daß aus der Überlagerung opti
scher Signalanteile ein Frequenzsignal erzeugt wird, welches proportional zu
der einwirkenden Kraft F ist.
6. Variante der optischen Kraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ausgekoppelten Signalstrahlung des
Sensoroszillators (501) mit den Frequenzanteilen ν₁ und ν₂ mittels eines Strahl
teiler (502) in orthogonal polarisierte Strahlungskomponenten aufgeteilt wird und
daß die orthogonal polarisierten Strahlungsanteile über optische Photodetekto
ren (503, 504) mit nachfolgender elektronischer Regelschaltung (505) und elek
tromechanischem oder elektrooptischem Stellglied (506) dazu verwendet wer
den, um die optischen Frequenzen ν₁ und ν₂ der zur Kraftmessung verwende
ten Signalanteile innerhalb der laserfähigen Bandbreite zu stabilisieren, und
daß ein anderer Teil der optischen Strahlung mit den Frequenzanteilen ν₁ und
ν₂ in einer opto-elektronischen Einheit (507) zu dem kraftabhängigen Frequenz
signal f = ν₂ - ν₁ ausgewertet wird.
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Cited By (8)
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