DE4322291A1

DE4322291A1 - Optische Kraftmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4322291A1
Application number: DE19934322291
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Holzapfel; Walter Dr Ing Settgast
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1993-07-05
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2013-07-06
Also published as: DE4322291C2

Description

Gattung des Anmeldungsgegenstandes

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.

Angabe zur Gattung

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.

Stand der Technik

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).

Kritik des Standes der Technik

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.

Aufgabe

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.

Lösung

Diese Aufgabe wird durch die Meßeinrichtung, die durch die Merkmale des An spruches 1 sowie die Unteransprüche 1 bis 5 gekennzeichnet wird, gelöst.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles

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 λ_Pump, die z. B. von einer Laserdiode 102 erzeugt wird, und gleichzeitig hochgradig reflektierend für die Laser wellenlänge λ_Las. 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 · L_Res 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/λ_Las · D)) · F
A₂ = G · (C₀/λ_Las · D)) · F (2)

mit C₀: photoelastischer Koeffizient des Materials,
λ_Las: Wellenlänge des Lasers,
G: Geometriefaktor des Aufnehmerelementes.

Für die Frequenzänderung ΔFSR gilt dann die eine lineare Abhängigkeit

ΔFSR = 2 · FSR · G · (C₀/λ_Las · 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

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 λ_Pump, 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 L_Res = L bildet, auf den als Eingangsgröße die Kraft F in orthogonaler Richtung zur Resonator achse einwirkt und die ausgekoppelten orthogonal polarisierten Strahlungsanteile der Wellenlänge λ_Laser 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 λ_Pump über eine Einkoppeloptik (202) dem optischen Material (204) zugeführt wird, besteht und dieser Sensor-Oszillator seine orthogonal polarisierten Strahlungskomponenten auf der Wellenlänge λ_Laser 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.