DE68907800T2

DE68907800T2 - Sensoren mit vibrierenden Elementen zum Detektieren von elektromagnetischen Parametern.

Info

Publication number: DE68907800T2
Application number: DE89401466T
Authority: DE
Inventors: Stephen R Phillips
Original assignee: Luxtron Corp
Current assignee: Luxtron Corp
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2009-05-31
Also published as: EP0345142B1; US4897541A; EP0345142A2; ATE92179T1; EP0345142A3; JPH01314918A; DE68907800D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Meßwandler und insbesondere Meßfühler zum Erfassen und Messen elektromagnetischer Parameter. Die Erfindung ist insbesondere zur Verwendung beim Erfassen und Messen elektromagnetischer Parameter unter Verwendung optischer Vorrichtungen und Verfahren geeignet.
Optische Meßfühler sind entwickelt worden, um herkömmliche elektrische Meßfühler beim Messen von physikalischen veränderlichen Größen zu ersetzen, die mit elektrischen Meßfühlern nicht meßbar sind, und um eine bessere Funktion zu gewährleisten. Weitere Gründe, um die optische der elektrischen Signalerfassung und -übertragung vorzuziehen, bestehen in der Beseitigung elektromagnetischer Interferenz und elektrischer Eigenisolation.
Eine Art herkömmlicher optischer Meßfühler verwendet Faseroptik-Techniken. Bei dem für Fulenwider et al. erteilten US-Patent Nr. 4 071 753 werden die Enden einer optischen Eingabe- und Ausgabefaser ausgerichtet und Licht wird von der einen in die andere Faser übertragen. Verschiedene Einrichtungen (ersichtlich mechanische Einrichtungen) verbinden das Ende der optischen Ausgabefaser mit einer mechanischen oder akustischen Quelle. Das mechanische oder akustische Signal von der Quelle verändert den optischen Kopplungskoeffizienten zwischen den beiden Fasern so, daß die mechanische oder akustische Information durch Messen dieses Koeffizienten gemessen werden kann. Fuller beschreibt im US-Patent Nr. 4 419 895 einen Winkelbeschleunigungsmesser, der ein Paar freitragende optische Fasern umfaßt, die parallel, jedoch etwas versetzt, verlaufen. Eine Winkelbewegung moduliert die zwischen den beiden optischen Fasern gekoppelten optischen Signale. Die Winkelbeschleunigungen werden durch Messen dieser Modulationen erfaßt. Bei der vorstehend beschriebenen Art von Meßwandlern umfaßt der optische Meßfühler zwei optisch gekoppelte optische Fasern. Der optische Kopplungskoeffizient zwischen den beiden Fasern verändert sich mit dem zu messenden physikalischen Parameter, so daß durch das Messen dieses Koeffizienten der Parameter erfaßt und gemessen werden kann.
Bei einer anderen Art von optischen Meßfühlern moduliert der zu messende physikalische Parameter die Schwingungsbewegung eines Meßwandlerelements. Diese Modulation verändert die Intensität des Lichts, das zwischen den Enden zweier optischer Fasern so gekoppelt ist, daß der physikalische Parameter durch Messen dieser Veränderungen erfaßt und gemessen werden kann. Diese Art von Meßwandlern ist im für Adolfsson et al. erteilten US-Patent Nr. 4 345 482 beschrieben. Das Meßwandler-element kann eine schwingende Feder, ein ferroelektrisches oder piezoelektrisches Element sein. Im US-Patent Nr. 4 379 226 beschreiben Sichling et al. einen in etwa analogen optischen Meßfühler. Das von Sichling et al. verwendete Meßwand-lerelement ist eine Blattfeder-Torsionsdrehvorrichtung, ein an einem Faden befestigtes ferromagnetisches Element oder ein piezoelektrisches Element, wie beispielsweise ein Quarzkristall. Sichling et al. beschreiben außerdem eine Anordnung, bei der ein Spiegel an einem Meßwandlerelement befestigt ist, der von einer optischen Eingabefaser empfangenes Licht zu einer Ausgabefaser reflektiert, um die Lichtkopplung zwischen den beiden Fasern zu erreichen.
Piezoelektrische Quarzresonatoren sind in anderen Patenten, wie beispielsweise im auf Karrer et al. zurückgehenden US-Patent Nr. 3 561 832 im einzelnen näher beschrieben. Derartige Resonatoren weisen Frequenzänderungen auf, wenn sie unter Spannung gesetzt werden, und können zum Messen von Spannungen verwendet werden. Wie im auf Weisser zurückgehenden US- Patent Nr. 3 902 355 beschrieben, wird eine ferromagnetische Stimmgabel zum Messen von Gasdruck verwendet. Die Resonanzfrequenz der Stimmgabel wird durch Änderungen des Gasdrucks so verändert, daß der Gasdruck durch Messen der Modulationen der Stimmgabelresonanzfrequenz gemessen werden kann. Im US-Patent Nr. 4 279 028 beschreiben Lowdenslager et al. die Verwendung eines nicht abgedichteten Stimmgabelquarzkristalls zum Messen einer atmosphärischen Druckänderung unter Verwendung desselben Prinzips. In einem Artikel mit dem Titel "Using the X-Y Flexure Watch Crystal As A Pressure-Force Transducer", Proceedings of 31st Annual Frequency Control Symposium 1977, U.S. Army Elect Command, beschreiben A. Genis et al. die Verwendung eines X-Y-Biegungsüberwachungskristalls zum Messen von Druck nach demselben Prinzip. Keine der vorgenannten Beschreibungen des Quarzkristalls scheint jedoch die Verwendung optischer Eigenschaften des Quarzkristalls gleichzeitig mit seinen piezoelektrischen Eigenschaften zu lehren.
Ein optischer Meßfühler, der eine mit einem Diaphragma eines Unterwasserschallempfängers verbundene Gitterstruktur verwendet, ist von W. B. Spillman im Artikel mit dem Titel "Multimode Fiber-Optic Hydrophone Based On A Schlieren Technique", Band 20, Nr. 3 Applied Optics, Februar 1981, beschrieben. Die Gitterstruktur wird zwischen den Enden zweier optischer Fasern angeordnet, um das zwischen den beiden Fasern gekoppelte Licht zu verändern. Dadurch veranlaßt ein akustisches Signal, das das Diaphragma zum Schwingen anregt, eine entsprechende Veränderung des zwischen den beiden Fasern gekoppelten Lichts. Das akustische Signal wird daraufhin durch die Modulation des zwischen den beiden Fasern gekoppelten Lichts gemessen. Unterschiedliche Unterwasserschallempfänger zum Messen akustischer Wellen sind in dem vorstehend genannten Artikel von W. B. Spillman beschrieben.
Piezoelektrische Meßfühler sind verwendet worden, um Maschinenschwingungen, wie beispielsweise Motorklopfen in einem Verbrennungsmotor, zu erfassen. Eine derartige Anwendung ist in dem auf Hamisch et al. zurückgehenden US-Patent Nr. 4 349 404 beschrieben. Die mit dieser Art von piezoelektrischen Beschleunigungsmeßfühlern verbundenen hohen Impedanzen sprechen auf elektrische Störsignale, wie beispielsweise das von Motorzündungssystemen erzeugte Störsignal, an. Ein einen freitragenenden Messingbalken verwendendes Beschleunigungsmeßgerät ist durch Sorf et al. im Artikel "Tilting-mirror Fiber-optic Accelerometer", Applied Optics, Band 23, Nr. 3, 1. Februar 1984, beschrieben.
Zusätzlich zu der Erfassung und der Messung von Kraft, Druck, Spannung und akustischen Wellen sind Quarzkristallschwingungserzeuger verwendet worden, um Temperatur zu messen. Ein derartiges Instrument, das Modell HP 2801, das von Hewllett-Packard, Palo Alto, Kalifornien, hergestellt wird, basiert auf einem Kristallthermometer, das durch Hammond im US-Patent Nr. 3 423 609 beschrieben ist. Statek of Orange, Kalifornien, fertigt eine Quarzthermometer- Stimmgabel (Modell TS-2). Gagnepain et al. beschreiben im US-Patent Nr. 4 398 115 ebenfalls die temperaturanzeigende Quarzkristallplatte.
Quarzkristalldetektoren sind als hochempfindliche Mikrowaagendetektoren verwendet worden. Quarzkristalle, die mit einer klebrigen Substanz oder einer Substanz beschichtet sind, die eine besondere chemische Substanz oder ein Molekül selektiv absorbiert und/oder adsorbiert, erhöht die Masse des Oszillators und verursacht eine Abnahme seiner Resonanzfrequenz. Dorman beschreibt im US-Patent Nr. 3 561 253 ein Partikeldetektorsystem, das eine schwingende Quarzkristallplatte umfaßt. Chuan mißt im US-Patent Nr. 3 715 911 die Masse atmosphärischen partikelförmigen Materials mit einer schwingenden Quarzkristallplatten-Mikrowaage. Mit einer selektiv absorbierenden Beschichtung beschichtete Kristalle sind im auf Frechette et al. zurückgehenden US-Patent Nr. 4 111 036 (zum Erfassen von Schwefeldioxid), im auf Kompanek zurückgehenden US-Patent Nr. 4 193 010 und in einem Artikel mit dem Titel "Analysis of environmental Pollutants Using A Piezoelectric Crystal Detector", in Intern. J. of Envoron. Anal Chem. 1981, Band 10, S. 89-98 von Guilbault, beschrieben.
Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Anwendungen zum Messen eines physikalischen Parameters unter Verwendung des Quarzkristalls, wird der Quarzkristall als ein nicht optischer schwingender Detektor verwendet, der elektrische Signale zum Erfassen und Messen der physikalischen Parameter erzeugt. Diese elektrischen Signale werden daraufhin durch eine elektronische Schaltung verarbeitet. Derartige Quarzkristalldetektoren unterliegen einer unerwünschten elektromagnetischen Interferenz.
Techniken zum Herstellen von Quarzkristallresonanzstrukturen, wie beispielsweise mikrolithographische, chemische und andere Herstellungsverfahren, sind dem Fachmann geläufig. Derartige Verfahren sind beispielsweise in den für Staudte erteilten US-Patenten Nr. 3 683 213 und 3 969 640 beschrieben. Geläufig sind auf diesem Gebiet auch die Techniken zum Festlegen des Schnitts von Quarzkristallresonatoren, um gewisse Temperatur-Frequenzeigenschaften zu erhalten, um ihre Resonanzfrequenzen abzustimmen, und um die Stellung und Konfiguration von Anregungselektroden festzulegen, um Bewegungen, wie beispielsweise die Biege- und Verdreh- (Torsions-)Moden von Stimmgabeln festzulegen. Diese Bewegungen können bei den Grund- und/oder Obertonfrequenzen des Kristalls auftreten. Beispiele dieser Techniken sind im auf Oguchi et al. zurückgehenden US-Patent Nr. 3 969 641, im auf Koqure et al. zurückgehenden US-Patent Nr. 4 377 765, im auf Yoda zurückgehenden US-Patent Nr. 4 382 204 und im auf Debely zurückgehenden US-Patent Nr. 4 384 232 beschrieben. Quarzkristall-Stimmgabeln können zusätzlich in Richtungen in Schwingung versetzt werden, die senkrecht zu der Ebene stehen, in der die beiden Zinken der Stimmgabel liegen. Derartige Techniken sind ebenfalls bekannt.
Eine anderes für den Stand der Technik interessantes Dokument ist die US 4 733 561, die einen von der Meßgröße, beispielsweise einer Kraft, bewegten Träger zeigt, der mit einem Resonator verbunden ist. Die Meßgröße kann auch ein Differenzdruck, eine Kraft, eine Beschleunigung oder Temperatur sein. Ein weiteres für den Stand der Technik interessierendes Dokument ist die Journal of Light Wave Technology, Juli 1987, Nr. 7, S. 972-979. Dieses Dokument zeigt einen Quarzkristall, der an einem freitragenden Balken angebracht ist, wobei der Kristall mit seiner Resonanzfrequenz schwingt, wenn er durch einen Transformator getrieben wird und ein Signal an die Elektroden des Kristalls angelegt ist. Druck oder Gewichte werden an den freitragenden Balken angelegt, um den Kristall zu biegen und dadurch zu strecken und seine Resonanzfrequenz zu modulieren. Dabei wird jedoch keine Verwendung von einem Körper gemacht, der an den Resonator eine Kraft anlegt, wenn dieser einem elektromagnetischen Parameter, wie einem Magnetfeld, einem elektrischen Feld, einem Strom oder einer Spannung unterworfen wird.
Mehr im einzelnen unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den verschiedenen Dokumenten zum Stand der Technik dadurch, daß sie sich auf einen Meßwandler zur Erfassung eines Parameters bezieht, umfassend einen Resonator, der in der Lage ist, bei einer Resonanzfrequenz mechanisch zu schwingen, eine Einrichtung zum Treiben des Resonators und eine Einrichtung zum optischen Erfassen von Modulationen der Resonanzfrequenz des Resonators, wobei der Parameter ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, ein Strom oder eine Spannung ist, und wobei der Meßwandler ferner einen mit dem Resonator verbundenen Körper aufweist, welcher derart ist, daß, wenn der Körper dem Magnetfeld, dem elektrischen Feld, dem Strom oder der Spannung ausgesetzt wird, er auf den Resonator eine Kraft ausübt und dadurch die Resonanzfrequenz des Resonators moduliert, wie im Anspruch 1 festgelegt. Der erfindungsgemäße Meßwandler ist ferner durch die Ansprüche 2 bis 3 und 20 festgelegt.
Der Meßwandler umfaßt ferner eine Einrichtung zum Zuführen von Licht zu dem Element, so daß das von dem Element übertragene Licht in einer Richtung verläuft, die quer zur Richtung des Elements steht, wobei die Schwingung des Elements das von dem Element übertragene Licht moduliert. Der Meßwandler umfaßt ferner eine Einrichtung zum Erfassen von Modulationen des durch das Element übertragenen Lichts, um das elektrische Signal zu erfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine teilweise schematische und teilweise perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers zum Messen eines physikalischen Parameters.
Fig. 2A zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Meßwandlers zur Veranschaulichung einer anderen Konfiguration des optischen Meßwandlers.
Fig. 2B zeigt eine Aufrißansicht eines Teils des Meßwandlers von Fig. 2A, zur Veranschaulichung der lichtabsorbierenden Gitter.
Fig. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Quarzkristallstimmgabelresonators zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des optischen Meßwandlers.
Fig. 3B zeigt eine teilweise aufgeschnittene Querschnittsansicht eines Teils des Resonators von Fig. 3A.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Resonators zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des optischen Meßwandlers.
Fig. 5A zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Paars gegenüberliegender piezoelektrischer Stimmgabeln mit gegenüberliegenden Gittermustern zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform des optischen Meßwandlers.
Fig. 5B zeigt eine Aufrißansicht des Paars von Stimmgabeln von Fig. 5A von oben.
Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Druckmeßwandlers zur Veranschaulichung, wie die optischen Meßfühler zum Messen von Druck verwendet werden können.
Fig. 7 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Mikromasse-Waagenresonators zur Veranschaulichung, wie der optische Meßfühler zum Erfassen von Partikeln verwendet werden kann.
Fig. 8A zeigt eine schematische Ansicht eines Quarzstimmgabelmeßwandlers zum Erfassen und Messen gasförmiger Schmutzstoffe.
Fig. 8B zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Detektors für gasförmige Schmutzstoffe, bei dem eine Doppelstimmgabelanordnung verwendet wird.
Fig. 9A, 9B und 9C zeigeneinen ladungsempfindlichen Doppelstabresonator mit zwei endseitig geschlossenen Stimmgabelresonatoren zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des optischen Meßwandlers.
Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines optischen Meßwandlers, wobei außerdem verdeutlicht wird, wie diese Anwendung zum Messen von Kraft und Druck verwendet werden kann.
Fig. 11 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht eines endseitig geschlossenen Stimmgabelresonators zum Erfassen von Versetzungen.
Fig. 12A bis 12E zeigen schematische Diagramme zur Veranschaulichung, wie die optischen Meßfühler zum Messen nochmals anderer physikalischer Parameter verwendet werden können, umfassend Licht, Elektronen, Röntgenstrahlung, Strahlung, ein elektrisches Signal, ein magnetisches Signal und Kraft.
Fig. 13A zeigt eine Querschnittsansicht eines Meßwandlers zur Veranschaulichung noch einer weiteren Ausführungsform des optischen Meßwandlers.
Fig. 13B zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Quarzstimmgabel-Meßwandlers zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des optischen Meßwandlers.
Fig. 14A zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers zur Veranschaulichung der anderen Ausführungsform.
Fig. 14B zeigt eine Teilansicht des oberen Abschnitts des Meßwandlers von Fig. 14A zur Veranschaulichung der Bewegung der zentralen Zinke.
Fig. 15 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Meßwandlersystems, bei dem das Meßwandlerelement teilweise aufgeschnitten und perspektivisch dargestellt ist, um eine weitere alternative Ausführungsform zu veranschaulichen.
Fig. 16A, 16B und 16C zeigen schematische Ansichten des Meßwandlerelements von Fig. 15 zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Arten, in denen die Schwingung des Meßwandlerelements den Lichtstrahl moduliert.
Fig. 17A zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers zum Messen von Magnetfeldern.
Fig. 17B zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers zum Messen einer Spannung.
Fig. 18A zeigt eine Bodenaufrißansicht eines zylindrisch ausgebildeten optischen Meßwandlers und eines elektrischen Endlosleiters, der zwei Schleifen zum Messen von Strom bildet.
Fig. 18B zeigt eine Querschnittsansicht des optischen Meßwandlers von Fig. 18A.
Fig. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gelenk-/ Hebelarm-Meßwandlers, der magnetostriktive (oder piezoelektrische) und temperaturkompensierende Elemente umfaßt und dazu verwendet wird, eine Kraft an einen optischen Kraftresonator anzulegen, um ein Magnetfeld oder eine Spannung zu messen.
Fig. 20 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gelenk-/ Hebelarm-Meßwandlers, der ein Paar elektrisch leitfähiger Kondensatorplatten umfaßt, um eine Kraft an einen optischen Kraftresonator anzulegen, um zu veranschaulichen, wie diese Erfindung zum Messen eines elektrischen Potentials verwendet werden kann.
Fig. 21 zeigt eine schematische Ansicht von vier optischen Meßwandlern, der in Fig. 17A gezeigten Art, die einen stromführenden Leiter umgeben, um unter Verwendung die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Strom zu veranschaulichen.
Fig. 22 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines stromführenden Leiters, der bis auf einen Spalt von einem Magnetkern umgeben ist, und des optischen Meßwandlers von Fig. 17A, um ein Verfahren zum Messen von Strom zu veranschaulichen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Während nichtoptische Meßwandler verwendet werden können, sind optische Meßwandler besonders vorteilhaft. Die in Anwendungsformen die Erfindung verwendeten optischen Meßwandler werden mit Bezug auf die Figuren 1 bis 16C zuerst beschrieben.
Die Erfindung schafft einen Miniatur-Meßwandler hoher Empfindlichkeit, der optische Signale erzeugt, die unempfindlich gegen elektromagnetische Interferenz und Störsignale sind. Bei einigen Ausführungsformen die Erfindung werden physikalische Parameter durch Erfassen der Schwingungsfrequenzen des Meßwandlers gemessen; derartige Frequenzen werden nicht durch Übertragungsverluste beeinträchtigt. Die Quarzkristall-Meßwandler der Erfindung sind leicht herstellbar, weil die Herstellungsverfahren für Quarzkristalle und Quarzkristallstimmgabeln auf ein solches Niveau verfeinert worden sind, daß derartige Meßwandler mit hoher Genauigkeit und niedrigen Kosten hergestellt werden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Meßwandlern werden die Quarzmeßwandler der Erfindung nicht nur wegen ihrer piezoelektrischen Eigenschaften, sondern auch wegen ihrer optischen Eigenschaften verwendet. Faseroptik- Techniken werden in vielen Ausführungsformen die Erfindung verwendet, um eine elektrische Isolation und eine Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Interferenz und Störsignalen zu erreichen.
Fig. 1 zeigt eine teilweise schematische und teilweise perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers zum Messen eines physikalischen Parameters zur Veranschaulichung der Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt der optische Meßwandler 10 eine Auswertevorrichtung 12 und eine Meßwandlervorrichtung 14. Die beiden Vorrichtungen sind über optische Fasern miteinander verbunden, so daß der Meßwandler 10 besonders zur Erfassung physikalischer Parameter an entfernten Orten geeignet ist. Die Meßwandlervorrichtung 14 kann an einen solchen entfernten Ort gebracht werden, um den physikalischen Parameter zu erfühlen, wohingegen die Auswertevorrichtung 12 fern von einem derartigen entfernten Ort vorgesehen sein kann.
Um der Meßwandlervorrichtung 14 Licht zum Messen des physikalischen Parameters zuzuführen, wird eine Lichtquelle 16 durch einen Treiber 18 gesteuert, um einen konstanten Lichtfluß 20 in die Faseroptik-Lichtführung 22 einzuspeisen. Die Lichtquelle 16 kann beispielsweise eine Licht (einschließlich infrarotes Licht) emittierende Diode (LED) sowie eine Glühlampe, eine Bogenlampe oder ein Laser sein. Die optische Faser 22 ist optisch an die Basis 44 des piezoelektrischen Quarzkristall-Stimmgabelresonators 24 angeschlossen und schafft einen Pfad für Licht 26, das in den Quarzkristall von der Faser 22 eintritt. Der Lichtfluß 26 wird durch den Quarzstimmgabelkristall 24 geleitet, der außerdem als ein Lichtleiter wirkt. Dieses Lichtleiterphänomen ist ein Ergebnis der hochpolierten Spiegeloberflächen des Quarzkristalls 24 und der Brechungszahlendifferenz zwischen Quarz und dem umgebenden Medium. Dieser Vorgang ist ein ähnlicher, wie derjenige, der in optischen Kern-Mantel-Fasern beobachtet wird. Anstatt die Oberflächen des Quarzkristalls mechanisch oder chemisch zu polieren können auf den Kristalloberflächen angebrachte Metallbeschichtungen ebenfalls eine reflektierende Oberfläche bilden. Der Lichtfluß 26 bewegt sich entlang beider Arme 28 und 30 des Quarzkristalls 24 als Lichtflüsse 32 und 34, die durch die Verjüngungsabschnitte 36 und 38 der Arme 28 und 30 zusammengeführt werden. Diese Lichtflüsse treten dann an den Oberflächen 40 und 42 aus dem Quarzkristall aus.
Der Stimmgabel-Kristallresonator 24 ist mit einer Basis 44 und einem Paar Stimmarme 28 und 30 aufgebaut, die durch einen Spalt 46 getrennt sind. Das Paar Stimmarme 28 und 30 schwingt mit Bezug aufeinander in der Ebene der Stimmgabel mit entgegengesetzter Phase in einem Modus, der als Biegemodus bekannt ist, mit einer Schwingungsgrundfrequenz in durch Pfeile 48 und 50 angezeigten Richtungen.
Die X-Schnitt-Stimmgabel von Figur 1 wird unter Verwendung von mikrolithographischen Techniken hergestellt, die in den US-Patenten Nr. 3 683 213, 3 969 640, 3 969 641 und 4 377 765 beschrieben sind. Dieser Kristall wird typischerweise als Taktquelle für wenig Energie benötigende billige Anwendungen, wie beispielsweise in Armbanduhren verwendet. Anstatt aus Quarz kann der Resonator 24 auch durch Verwenden beliebiger anderer piezoelektrischer Materialien, wie beispielsweise Steinsalz (KNaC&sub4;H&sub4;O&sub6; 4H&sub2;O), Bariumtitanat (BaTiO&sub3;), Turmalin und ADP ((NH&sub4;)H&sub2;PO&sub4;) oder ferroelektrischer Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise die Materialien, die in den in diesem Absatz vorstehend genannten Patenten genannt sind. Dünnfilm-Treiberelektroden 52 und 54 können entlang der Oberseite, dem Boden oder der Seiten der Arme 28 und 30, jedoch vorzugsweise an der oberen Oberfläche angeordnet sein, wie in Figur 1 gezeigt. Diese Elektroden können durch Vakuumniederschlag eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, wie beispielsweise Zinnoxid, Nickel, Chrom, Gold, Silber oder einer Kombination dieser Metalleiter hergestellt sein. Beim Anlegen eines elektrischen Potentials über die beiden Treiberelektroden, bewegen sich die Arme 28 und 30 in entgegengesetzter Phase und schwingen weiterhin, wenn sie in einer auf diesem technischen Gebiet bekannten Weise getrieben werden.
Durch die Oberflächen 40 und 42 übertragene Lichtflüsse 32 und 34 werden auf das Ende der optischen Faser 60 projeziert. Die Größe des Lichtflusses 62 in der optischen Faser 60 hängt von den Biegebewegungen der Arme 28 und 30 ab. Die kontinuierliche seitliche Bewegung der Oberflächen 40 und 42 verursacht eine entsprechende Modulation des Lichtflusses 62. Der Lichtfluß 62 breitet sich vom distalen Ende 64 der optischen Faser 60 auf einen Lichtdetektor 66 aus. Der Photodetektor 66 kann eine Photopindiode, ein Phototransistor, ein Photowiderstand oder eine Photovervielfacherröhre sein. Das Signal von dem Photodetektor 66 wird durch einen Verstärker 68 verstärkt. Die Amplitude des Wechselspannungsanteils des Signals 70 von dem Photodetektor 66 wird von dem Diskriminatorschaltkreis 76 geliefert, um ein Ausgangssignal 74 zu liefern, das die Schwingungsamplitude der Arme 28 und 30 des Resonators 24 repräsentiert. Ein digitales Frequenzsignal 78 wird ebenfalls durch den Diskriminatorschaltkreis 76 erzeugt. Das Signal 78 wird an einen Frequenzzähler 80 angelegt, um ein Ausgangssignal zu liefern, das den physikalischen Parameter repräsentiert, der die Schwingung der Arme 28 und 30 des Resonators 24 beeinflußt. Das Signal 78 wird außerdem über ein Phasenverzögerungs- oder Phasenschiebeelement 84 und einen Treiber 86 an eine Lichtquelle 88 angelegt, die eine LED oder ein Festkörperlaser sein kann.
Licht von der Quelle 88 wird über den Lichtleiter 90 an die Photodiode oder die photovoltaische Zelle 92 geleitet. Ggf. kann die photovoltaische Zelle 92 einen Spannungsregler, einen Spannungsverdoppler oder einen anderen Schaltkreis umfassen, um die Erzeugung eines schwingenden Treibersignals zu unterstützen. Die Zelle 92 liefert ein Ausgangssignal, das an die Treiberelektroden 52 und 54 angelegt wird, wodurch Schwingungen der Arme 28 und 30 erzeugt werden. Das Phasenverzögerungselement 84 und der Rest der elektrischen Schaltung bilden einen Rückkopplungssteuerkreis, der den Quarzresonator dazu veranlaßt mit dem Resonator 24 als das frequenzsteuernde Element in Schwingung zu bleiben. Anstatt einen Rückkopplungskreis einzusetzen, kann der Kristall alternativ durch periodische oder Zufallslichtimpulse von der Quelle 88 getrieben werden.
Zur Messung eines physikalischen Parameters wird die Meßwandlervorrichtung 14 derart angeordnet, daß die Frequenz der Schwingung und/oder die Amplitude der Schwingung des Resonators 24 durch diesen physikalischen Parameter moduliert wird. Derartige Modulationen resultieren in Modulationen des Lichtflusses 62, der durch den Photodetektor 66 erfaßt wird. Der Photodetektor 66 liefert ein elektrisches Signal, das den Lichtfluß 62 repräsentiert. Die elektrischen Bauteile im Auswerteschaltkreis 12 liefern daraufhin elektrische Signale 74 und 82, die die Amplitude, Phase und Frequenz repräsentieren, die die Amplitude, Phase und Frequenz von Modulationen repräsentieren, die durch den physikalischen Parameter verursacht sind.
In der Meßwandlervorrichtung 14 oder in den Verbindungsleitungen zwischen dieser und der Auswertevorrichtung 12 wird kein zusätzlicher elektrischer Schaltkreis verwendet. Die Auswertevorrichtung 12 kann vom Meßort entfernt sowie in einer elektrisch isolierten Umgebung angeordnet sein. Auf diese Weise ist die Meßwandlervorrichtung 10 von Fig. 1 unempfindlich gegen eine elektromagnetische Störsignalinterferenz. Die Meßwandlervorrichtung 14 bildet einen wegwerfbaren Teil des optischen Meßwandlers 10. Der Quarzkristall-Stimmgabelresonator 24 ist ebenso wie die optischen Faserleitungen in der Vorrichtung 14 billig, so daß die gesamte Vorrichtung 14 gegebenenfalls weggeworfen werden kann. Die optischen Faserleitungen der Vorrichtung 14 in der wegwerfbaren Vorrichtung können zur Verbindung mit der Auswertevorrichtung 12 in herkömmlicher Weise über lange optische Faserkabel verbunden sein.
Die Resonanzfrequenz der Arme 28 und 30 des Resonators 24 kann gesteuert werden. Beispielsweise kann ein Metallfilmgewicht 96 und 98 auf den Resonanzarmen 28 und 30 während der Herstellung des Quarzresonators 24 vakuumniedergeschlagen werden. Um die Resonanzfrequenz des Resonators zu erhöhen, können Abschnitte der Gewichte 96 und 98 in herkömmlicher Weise, beispielsweise mittels eines Lasers, getrimmt werden. Das geeignete Ausmaß des Trimmens kann zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonators 24 auf die gewünschte Frequenz durchgeführt werden. Ein differentielles Trimmen der Gewichte 96, 98 erlaubt zusätzlich das Anpassen der Resonanzfrequenzen der beiden Arme, wodurch der Q- oder Qualitätsfaktor des Kristalls optimiert wird.
Fig. 2A zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Meßwandlers zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform des optischen Meßwandlers der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform verbindet eine einzige optische Faser oder ein Bündel von Fasern 100 einen Quarzkristall-Stimmgabelresonator 102 der Meßwandlervorrichtung 14 mit einer Auswertevorrichtung 12. Wendet man sich zuerst der Auswertevorrichtung 12 zu, so liefert eine Lichtquelle 106 (die eine LED, ein Laser oder eine Bogenlampe sein kann), einen Lichtfluß 108 an die Faser 100 an die Schwingungsenden der Arme 110 und 112 des Resonators 102. Der Lichtfluß wird durch die lichtabsorbierenden Gitter 114 und 116, wie in Fig. 2B gezeigt, moduliert. Ein Lichtfluß 118, der die Doppelgitterstruktur durchsetzt, wird durch die Arme 110 und 112 geleitet, die als Lichtleiter zu der Photozelle 120 wirken, die an der Basis des Quarzkristallresonators 102, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, angeordnet ist. In Erwiderung auf den Lichtfluß 118 liefert die Photozelle 120 ein Ausgangssignal an Treiberelektroden (teilweise in Fig. 2A gezeigt) des Resonators 102 über Drähte 122 und 124, um die Arme 110 und 112 im Grundbiegemodus in ähnlicher Weise in Schwingung zu versetzen, wie dies in Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist.
Ein Teil des Lichtflusses 118 wird jedoch von der Oberfläche der Photozelle 120 reflektiert. Dies wird entweder durch Verwenden des natürlichen Reflexionsvermögens des Siliziums der Zelle 120 oder durch Schichtausbildung eines teilweise reflektierenden Spiegels an der vorderen Oberfläche der Zelle 120 bewirkt. Zusätzlich kann eine selektiv schmalbandig lichtabsorbierende Beschichtung an der Oberfläche des Quarzkristalls 102 angeordnet sein, um den Lichtfluß 118 zu unterbrechen. Ein bevorzugter Ort dieser Beschichtung liegt vor der Spiegelbeschichtung der Zelle 120. Die Temperatur des Quarzelements 102 wird durch die Absorption der Lichtenergie durch die Gitter 114 und 116 und durch die Absorption von Lichtenergie in diesem engen Band durch diese selektiv absorbierende Beschichtung erhöht. Die Temperatur des Quarzelements 102 kann durch Verändern der Menge der Lichtenergie innerhalb des schmalen Bandes gesteuert werden. Es versteht sich, daß die Temperatur des Kristalls in sämtlichen anderen Ausführungsformen die Erfindung in einer ähnlichen Weise, wie dies soeben beschrieben worden ist, gesteuert werden kann.
Das reflektierte Licht 126 von der Zelle 120 wird beim zweiten Durchgang durch die Doppelgitterstruktur 114 und 116 lediglich teilweise absorbiert. Der Hauptteil des Lichtes 126 läuft durch den Spalt und das Gitter zurück, wird durch einen herkömmlichen Faseroptikteiler 128 entlang der optischen Faser 100 zurückgeleitet, um auf den Photodetektor 130 aufzutreffen. Das Signal von dem Photodetektor wird durch den Verstärker 132 verstärkt und durch analoge und digitale Schaltkreise des Netzwerks 134 verarbeitet, um ein Ausgangssignal 136 zu liefern, das entweder die Frequenz, die Amplitude oder die Phase des Resonators 102 anzeigt. Die Schwingungen der Arme 110 und 112 des Resonators 102 werden durch einen zu messenden physikalischen Parameter beeinflußt, und der Ausgang 136 zeigt einen derartigen Modulationseinfluß an. Der physikalische Parameter wird daraufhin mittels des Ausgangssignals 136 erfaßt und gemessen. Das Netzwerk 134 liefert außerdem ein Signal 137 geeigneter Phase zu dem Lichtquellentreiber 138, um die Lichtintensität der Lichtquelle 106 zur Schwingungsanregung des Resonators 102 in herkömmlicher Weise zu steuern. Die Lichtquelle 106 liefert normalerweise einen konstanten Lichtfluß 108. Unter gewissen Umständen kann er jedoch zur Auslösung der Schwingung des Resonators 102 moduliert oder gepulst werden.
Die Arme 110 und 112 weisen verjüngte Abschnitte 140 und 142 auf, deren Verjüngung für ein gegebenes Brechungszahlenverhältnis zwischen Quarz und dem umgebenden Medium flach genug ist, um eine vollständige innere Reflexion der Lichtflüsse 118 und 126 zu erlauben. Die Gitter 114 und 116 sind jeweils durch alternativ angeordnete, durchlässige und lichtabsorbierende Streifen gebildet. Die an den Enden der Arme 110 und 112 angeordneten Gitter 116 bewegen sich in entgegengesetzter Phase in Bezug aufeinander in die Richtungen der Pfeile 144 und 146. Anstatt lichtabsorbierend zu sein, kann das Gitter 116 auch aus lichtreflektierendem Material, wie beispielsweise Spiegeln, hergestellt sein, die einen Teil des Lichts 108 zurück auf den Photodetektor 130 reflektieren. In beiden Konfigurationen werden die durch einen physikalischen Parameter verursachten Modulationen der Schwingungen der Arme 110 und 112 durch den Photodetektor 130 erfaßt.
Fig. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Quarzkristall-Stimmgabelresonators zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform des optischen Meßwandlers der Erfindung. Fig. 3B zeigt eine teilweise aufgeschnittene Querschnittsansicht eines Abschnitts des Resonators von Fig. 3A. Bei dieser Ausführungsform wird ein optisches Äquivalent der Gitterstruktur von Fig. 2 zu derselben Zeit hergestellt, zu der der Resonator photolithograpnisch erzeugt wird. Dies kann die zu seiner Herstellung erforderliche Anzahl der Schritte und die Kosten vermindern. Die Auswertevorrichtung 12 der alternativen Ausführungsform der Figuren 3A und 3B ist dieselbe, wie die Vorrichtung der Figuren 2A und 2B und ist aus Gründen der Vereinfachung weggelassen. In den Figuren 3A und 3B werden dieselben Bezugszeichen für die optische Faser 100 und den Lichtfluß 108 verwendet. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird ein Lichtfluß 108 durch eine optische Faser 100 übertragen, die mit der Basis des modifizierten Stimmgabelresonators 150 verbunden ist. Der Lichtfluß 108 wird durch den schwingenden Arm 132 geleitet. Wie in Fig. 3A gezeigt, endet der schwingende Arm 152 in einer Mehrzahl verjüngter Abschnitte 154a, die den Lichtfluß 108 zur Konvergenz bringen und als eine modulierende Gitterstruktur wirken. Der Arm 158 weist an seinem Ende einen U-förmigen Abschnitt mit ähnlichen, sich verjüngenden Endabschnitten 154b in Gegenüberlage zu den Abschnitten 154a auf. Die beiden Gruppen der gegenüberliegenden, sich verjüngenden Abschnitte 154a und 154b bilden das optische Äquivalent der Gitterstruktur der Figuren 2A und 2B. Fig. 3A zeigt die Konfiguration für zwei gegenüberliegende Gruppen von drei verjüngten Abschnitten in jeder Gruppe. Selbstverständlich können ein, zwei oder mehr als drei verjüngte Abschnitte im Rahmen die Erfindung in jeder Gruppe verwendet werden.
Ein Teil des Lichtflusses 108 wird durch die Seiten 155 intern reflektiert und bringt den Lichtfluß 108 zur Konvergenz. Ein Teil des Lichtflusses 108 wird in den oberen Teil des Arms 158 des Resonators 130 als Lichtfluß 160 geleitet. Dieses übertragene Licht 160 wird daraufhin durch einen Spiegel 162 als reflektierter Lichtfluß 164 reflektiert, der seinen optischen Pfad zurück nach unten in den Lichtleiter 152 zurücklegt. Ein Teil des Lichtflusses 108 wird jedoch, wie durch einen Pfeil 166 gezeigt, aus der Außenseite der verjüngten Flächen 157 des Arms 158 herausreflektiert und geht verloren. Die optisch leitenden Endflächen 168 und 170 der verjüngten Abschnitte 154a und 154b sind so ausgebildet, daß sie in der neutralen nicht schwingenden Stellung sich etwa zu 50% überlappen, um eine maximale optische Modulation zu liefern. Von dem Lichtfluß, der nicht aus der Oberfläche 168 austritt, wird lediglich derjenige Abschnitt zurückreflektiert, der in die Oberfläche 170 eintritt. Dadurch ändert die Relativbewegung der Arme 152 und 158 das Verhältnis der Energien in den Lichtflüssen 160 und 164. Ein Teil des zurückkehrenden Lichtflusses 164 wird durch die optische Faser 100 zurückgeleitet und wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 2A beschrieben, erfaßt. Ein Teil des zurückkehrenden Lichtflusses 164 fällt auf die Photozelle 172, die eine Spannung daraus erzeugt, um die Elektroden 174 und 176 zu treiben. Da der Lichtfluß 164 sich periodisch ändert, stellt die Zelle 172 einen schwingenden Strom zur Verfügung, der die Arme 152 und 158 dazu veranlaßt, gegenphasig mit ihrer Resonanzfrequenz zu schwingen.
Der Arm 158 ist bei 178 weiter verjüngt, um seine Masse derart zu vermindern, daß die Arme 152 und 158 im wesentlichen dieselbe Resonanzfrequenz wie vorher aufweisen. Auf den beiden Armen niedergeschlagene dünne Filmgewichte können verwendet werden, um ihre Resonanzfrequenzen auf den gewünschten Wert einzustellen. Die vorstehend beschriebenen, einander gegenüberliegenden verjüngten Abschnitte erhöhen die Empfindlichkeit des optischen Meßfühlers. In Bezug auf Fig. 1 können die gegenüberliegenden Oberflächen des Resonators 24 und der optischen Faser in ähnlicher Weise geformt sein, um die Empfindlichkeit des optischen Meßfühlers 10 zu erhöhen. Alternativ können die gegenüberliegenden Oberflächen mit Gittern ähnlich den Gittern 114 und 116 von Fig. 2 versehen sein, um die Empfindlichkeit des Meßfühlers zu erhöhen. Die gegenüberliegenden Gruppen verjüngter Abschnitte der Figuren 3A und 3B und/oder die Gitter von Fig. 2B können ebenfalls in ähnlicher Weise auf weitere Ausführungsformen dieser Anmeldung angewandt werden, einschließlich derjenigen der Figuren 5A, 7, 8A, 8B, 9A, 10, 11, 13A und 14A, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Resonators zur Veranschaulichung noch einer weiteren Ausführungsform optischer Meßwandler der Erfindung. Der Stimmgabelresonator von Fig. 4 ist insbesondere für Messungen mit einem Resonator ausgelegt, der in einem Torsionsmodus ebenso wie in dem Biegemodus der vorausgehenden Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 schwingt. Messungen physikalischer Parameter unter Verwendung eines Stimmgabelresonators, der im Torsionsmodus schwingt, sind insofern vorteilhaft, als die Resonanzfrequenz der Torsionsmodusschwingung im wesentlichen linear mit der Temperatur des Resonators sich ändern kann und eine eindeutige Funktion ist. Im Gegensatz hierzu, haben die Resonanzfrequenzen der im Biegemodus schwingenden Resonatoren eine Frequenz-Temperaturcharakteristik in Form einer Parabel. Deshalb ist ein Resonator, wie der in Fig. 4 gezeigte, zum Messen von Temperatur vorteilhaft. Alternativ kann der Resonator von Fig. 4 sowohl im Biege- wie im Torsionsmodus zur Schwingung gebracht werden. Die beiden unterschiedlichen Schwingungsmoden können elektronisch getrennt werden, weil sie sich in Bezug auf die Frequenz wesentlich unterscheiden. Beispielsweise kann der Torsionsmodus bei 200 kHz zusammen mit dem Biegemodus bei 20 kHz verwirklicht werden.
In Fig. 4 sind drei unterschiedliche Schwingungsmoden des Resonators 180 durch Pfeile 182 und 184 für den Torsionsmodus gezeigt, durch Pfeile 183 und 185 für den Quer- oder Normalmodus (bei dem die Arme in Richtungen senkrecht zu der Ebene der beiden Zinken schwingen) und durch Pfeile 190 und 192 für die Biegemoden. Der Resonator 180 umfaßt Arme 186 und 188. Licht 194 von einer Lichtquelle, ähnlich der Quelle 16 von Fig. 1, wird durch eine optische Faser 196 zum Arm 186 geleitet. Die Faser 196 ist optisch durchgehend mit der Basis des Resonators 180 derart ausgebildet, daß der Lichtfluß 194, ebenso wie der Lichtfluß 198, entlang dem Arm 186 geleitet wird. Die Arme 186 und 188 verjüngen sich in zwei unterschiedliche Richtungen. Wie bei 200 gezeigt, befindet sich eine Verjüngung an einer Seite des Arms 186. Die andere Verjüngung befindet sich an der Bodenfläche des Arms 186, die als Oberfläche 203 dargestellt ist. Die erste durch die Oberfläche 200 dargestellte Verjüngung führt den Lichtfluß 198 zum Spiegel 204 hin zur Konvergenz. Der Lichtfluß 198 wird von einem Spiegel 204 als Lichtfluß 206 wegreflektiert. Die zweite durch die Oberfläche 203 dargestellte Verjüngung führt den Lichtfluß 206 zur Oberfläche 208 hin weiterhin zur Konvergenz. Ein Teil dieses Lichtes kreuzt den schmalen Spalt 210 und tritt in den Resonator über eine Oberfläche 212 des Arms 188 erneut ein. Dieses Licht wird daraufhin durch einen Spiegel 214 als Lichtfluß 216 den Arm 188 hinunter zur Basis des Resonators 180 als Lichtfluß 222 reflektiert. Der Lichtfluß 222 wird daraufhin durch eine optische Faser 224 zu dem Photodetektor, der den Photodetektor 66 von Fig. 1 ähnelt, geleitet. Der Arm 188 weist, als Oberflächen 220 und 221 dargestellte, verjüngte Abschnitte ähnlich denjenigen des Arms 186 auf.
Die beiden Verjüngungen resultieren in sehr schmalen rechteckigen Bereichen 208 und 212, durch welche die beiden Arme 186, 188 optisch gekoppelt sind. Wenn die beiden Arme 186, 188 entweder im Torsionsmodus (Pfeile 182-184), dem Biegemodus (Pfeile 190, 192) oder im Quer-(Normal-)Modus (Pfeile 183, 185) oder in einer Kombination dieser drei Moden schwingen, wird der Lichtkopplungskoeffizient zwischen den beiden Armen des Resonators geändert, wodurch der Lichtfluß 222 moduliert wird, der daraufhin von dem Photodetektor erfaßt wird.
Der Lichtfluß 226, der durch die vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 diskutierte optische und elektrische Rückkopplung erzeugt worden ist, wird durch eine optische Faser auf die Photozelle 230 übertragen. Die Zelle 230 erzeugt einen sich verändernden elektrischen Strom zum Treiben von Elektroden 232 und 234 zur Resonanzschwingungsanregung des Resonators 180. Das Anordnen der Faser 228 und der Zelle 230 zwischen den optischen Fasern 196 und 224 erzeugt einen kompakten Aufbau. Beim Vergleich der Figuren 3A, 3B und 4 mit den Figuren 1, 2A und 2B, wird ersichtlich, daß die Resonatoren der Figuren 3A, 3B und 4 zusammen mit den an ihnen befestigten optischen Faserleitungen die wegwerfbaren Abschnitte der optischen Meßwandlervorrichtung bilden, die bei Bedarf wegwerfbar sind.
Das elektrische Muster auf dem Resonator 180 kann so konfiguriert sein, daß die Arme in einem Torsions- und/oder Biegemodus zur Schwingung angeregt werden. Diese Techniken sind auf diesem technischen Gebiet hinlänglich bekannt und in den US-Patenten Nr. 4 377 765 und 4 382 204 beschrieben. Wenn beide Moden in einer Messung verwendet werden, enthält der Lichtfluß 226 beide getrennten Treiberfrequenzen, um die beiden Moden unabhängig zu treiben. In den vorstehend genannten Ausführungsformen können deshalb Metallfilmgewichte auf dem Resonator 180 zum Einstellen der Resonanzfrequenzen niedergeschlagen werden. Ein Querbiegemodus, in dem die Arme quer zu der Kristallebene schwingen, wie durch Pfeile 183 und 185 wiedergegeben, kann mit den geeigneten Orten für die Treiberelektroden ebenfalls durchgeführt werden.
Wenn der Resonator 180 gleichzeitig sowohl im Biege- wie im Torsionsmodus in Schwingung versetzt wird, können zwei unterschiedliche physikalische Parameter jeden Modus in unterschiedlichen Ausmaßen beeinflussen. Durch getrenntes Kalibrieren der Wirkungen jedes Parameters auf die beiden Moden ist es möglich, die beiden Parameter gleichzeitig zu messen, indem die Frequenzen dieser Moden gemessen werden. Zwei solche Parameter können die Temperatur und der Druck sein.
Fig. 5A zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Paars gegenüberliegender piezoelektrischer Stimmgabeln mit gegenüberliegenden Gittermustern zur Veranschaulichung noch einer weiteren alternativen Ausführungsform der optischen Meßwandler der Erfindung. Fig. 5 zeigt eine Ansicht der Stimmgabeln von Fig. 5A von oben. Ein Lichtfluß 250 wird durch eine optische Faser 252 geleitet und durch eine Linse 256 in einen Strahl 254 kollimiert. Die Linse 256 kann eine herkömmliche Kondensorlinse oder eine Rasterindex-Stabmikrolinse sein, wie sie beispielsweise von Nippon Sheet Glass Ltd. hergestellt wird. Der Lichtstrahl 254 kann ebenfalls direkt von einem Laser stammen. Ein Teil des kollimierten Lichtstrahls 254 durchsetzt die erste Quarzstimmgabel 258 und die zweite Quarzstimmgabel 260 mit ihren gegenüberliegenden Gitterelementen 262, 264, wie in Fig. 5B gezeigt. Das Gitter 262 ist auf den Armen 266 und 268 angeordnet, während das gegenüberliegende Gitter auf den Armen 270 und 272 angeordnet ist. Licht von dem kollimierten Strahl, das diese Gitterstruktur durchsetzt, wird auf die Photozelle 274 projeziert, die einen elektrischen Strom erzeugt, der außer Phase mit der Bewegung der beiden Stimmgabeln steht. Elektrische Verbindungen 276 und 278 verbinden den Ausgang der Photozelle, um die Stimmgabel 260 zu treiben. Die Treiberelektroden der Stimmgabel 260 sind mit den Treiberelektroden der Stimmgabel 258 derart verbunden, daß die beiden Stimmgabeln mit entgegengesetzter Phase schwingen. Die Verbindungen sind in Fig. 5A gezeigt. Wenn die Arme 266 und 268 sich biegend voneinander wegbewegen, bewegen sich die Arme 270 und 272 aufeinander zu, wodurch die gegenüberliegende Gitterstruktur in die Lage versetzt wird, den Lichtstrahl 254 zu modulieren.
Die optische Faser 252 dient außerdem als die Faser, die das durch die Gitterstruktur modulierte Licht zum Messen des physikalischen Parameters empfängt. Das erste Gitter 262 besteht aus einem lichtabsorbierenden Material oder phosphorisierenden Material, das zum Anzeigen von Temperatur verwendet werden kann. Das zweite Gitter 264 besteht aus einem lichtreflektierenden Material. Dadurch wird das Licht 268 durch das zweite Gitter 264 reflektiert und durchsetzt die durchlässigen Abschnitte des Gitters 262 und wird durch die Linse 256 auf die optische Faser 252 zur Erfassung durch einen Photodetektor fokusiert, wie dies vorstehend mit Bezug auf die Figuren 1, 2A und 2B beschrieben worden ist. Das derart erfaßte Licht wird durch die kombinierten Wirkungen der beiden Stimmgabeln moduliert. Auf diese Weise können die die Schwingungen der beiden Stimmgabeln modulierenden physikalischen Parameter erfaßt und gemessen werden. Wie in den vorstehenden Ausführungsformen können die Resonanzfrequenzen der beiden Stimmgabeln durch Trimmen von Metallfilmgewichten eingestellt werden, die auf ihnen niedergeschlagen sind. Falls notwendig, kann eine zusätzliche Verbindung der Elektroden zwischen den beiden Stimmgabeln vorgenommen werden, um die Synchronisation ihrer Bewegung zu unterstützen.
Bei der vorstehenden Beschreibung werden die beiden Stimmgabeln in ihren Grundbiegemoden zur Schwingung angeregt. Durch Neuanordnen der Gitter auf Positionen 280 kann die erste harmonische Obertonschwingung des Biegemodus erfaßt werden. Herkömmliche Elektrodenmuster, die auf diesem Gebiet der Technik bekannt sind, werden verwendet, um diese Obertonschwingung zu treiben und zu erzeugen. Während in den Figuren 5A, 5B die Stimmgabeln 258, 260 in Form flacher dünner Platten mit schwachen Stärken gezeigt sind, versteht es sich von selbst, daß ihre Stärken nicht auf die dargestellten beschränkt sind, sondern vielmehr bei Bedarf erhöht werden können, um größer zu sein, als ihre Breiten, ohne daß die Funktionen der Stimmgabeln beeinträchtigt werden. Die Querschnittabmessungen der Meßwandler in den anderen Ausführungsformen dieser Anmeldung können in ähnlicher Weise verändert werden.
Die beiden Stimmgabeln werden, wie in Fig. 5B gezeigt, bevorzugt nahe zueinander angeordnet. Die beiden Gitterstrukturen überlappen sich zu etwa 50%, wie in Fig. 5B gezeigt, so daß jeder durchlässige Streifen der Gitterstruktur 262 eine halbe Seite eines entsprechenden nicht durchlässigen Streifens der Gitterstruktur 264 überlappt. Die nicht durchlässigen Streifen der Gitterstruktur 264 sind in ähnlicher Weise mit Bezug auf das Gitter 262 angeordnet. Durch eine derartige Anordnung kann eine maximale Empfindlichkeit für die Relativbewegung zwischen den beiden Stimmgabeln erreicht werden.
Die Verwendung eines phosphorisierenden Materials zum Aufbau der beiden Gitterstrukturen hat den Vorteil, daß die Temperatur der Umgebung der beiden Stimmgabeln gleichzeitig mit anderen vorstehend diskutierten physikalischen Parametern gemessen werden kann. Techniken, die phosphorisierendes Material zum Messen von Temperatur verwenden, sind in den US- Patent Nrn. 4 075 493 und 4 215 275 (Wickersheim) und 4 245 507 (Samulski) beschrieben.
Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Druckmeßwandlers zur Veranschaulichung, wie die optischen Meßfühler dieser Vorrichtung zum Messen von Druck verwendet werden können. Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt der Druckmeßwandler 300 ein rohrförmiges Gehäuse 302, das durch ein isolierendes Diaphragma 304 umschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 302 ist ein Quarzstimmgabelresonator 306 der in Fig. 3A gezeigten Art angeordnet. Während der Resonator von Fig. 3A in Fig. 6 zur Veranschaulichung des Druckmeßwandlers gezeigt ist, versteht es sich von selbst, daß jeder der vorstehend beschriebenen Stimmgabelmeßwandler an seiner Stelle verwendet werden kann. Die Stimmgabelresonatoren der mit Bezug auf die Figuren 7, 8A, 8B, 9A, 9B, 9C und 10 beschriebenen Art können ersatzweise ebenfalls verwendet werden. Sämtliche dieser Konfigurationen werden vom Schutzumfang der Erfindung umfaßt.
Die Nachgiebigkeit des Diaphragmas 304 erlaubt ein Gleichgewicht zwischen dem Innendruck im Gehäuse 302 und dem Außendruck außerhalb von diesem. Deshalb wird zum Messen von Druck in einer bestimmten Umgebung das Gehäuse 302 mit seinem zum Diaphragma 304 führenden Ausgang innerhalb dieser Umgebung so angeordnet, daß der Innendruck in dem Gehäuse gleich dem Druck der zu messenden Umgebung ist. Der Druck im Gehäuse 302 ändert die Gasdichte in dem Gehäuse und dadurch ebenfalls die Resonanzfrequenz des Resonators 306 und wird in der vorstehend beschriebenen Weise in ein optisches Signal umgewandelt. Das befestigte Rohr 308 verleiht dem Druckmeßwandler einen gleichmäßigen Außendurchmesser und schafft Raum für die optische Faser 310 und weitere Instrumente. Der Druckmeßwandler von Fig. 6 kann ohne weiteres als ein Katheter bei medizinischen Anwendungen verwendet werden. Die Druckempfindlichkeit des Meßwandlers kann durch Anordnen unterschiedlicher Gase oder Gasgemische mit unterschiedlichen Dichte-Druck- oder Viskosität-Druck-Eigenschaften geändert werden, die den Resonator umgeben.
Der Druckmeßwandler von Fig. 6 kann als ein Füllstandsdetektor verwendet werden, indem der Meßwandler in ein Fluid nahe dem Boden eines Behälters angeordnet wird, und indem der gemessene Druck mit der Höhe des Fluids über dem Meßwandler in Beziehung gesetzt wird, wenn die Dichte des Fluids bekannt ist oder gemessen wird. Ein in dem Behälter über dem Niveau des Fluids angeordneter zusätzlicher Druckmeßwandler derselben Art kann barometrische Druckunterschiede messen und kompensieren. Zum Messen der Dichte des Fluids sind zwei Druckmeßwandler in dem Fluid unter einem bekannten vertikalen gegenseitigen Abstand angeordnet. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Orten der Meßwandler ergibt die Dichte des Fluids. Kombiniert mit dem im Fluid am Boden des Behälters gemessenen Druck ergibt dies den Fluidstand.
Fig. 7 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Mikrowaagenresonators zur Veranschaulichung, wie der optische Meßwandler der Erfindung zum Erfassen von Partikeln verwendet werden kann. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird der Resonator 350 in einem (nicht gezeigten) Gehäuse angeordnet und an eine (ebenfalls nicht gezeigte) Auswertevorrichtung an einem entfernten Überwachungsort mittels einer optischen Faser 352 angeschlossen. Diese Faser kann mit einem rechteckigen Endabschnitt 254 ausgebildet sein, um in optimalerer Weise mit dem Resonator eine Schnittstelle zu bilden. Die beiden schwingenden Zinken 255 und 258 modulieren das von einem Spiegel 360 reflektierte Licht in ähnlicher Weise, wie dies anhand der vorstehenden Ausführungsformen beschrieben ist. Eine Blendenplatte 362 ist vor der Stimmgabel angeordnet und enthält zwei offene Fenster 264 und 266, die es in der Luft schwebenden Partikeln erlauben, in das Gehäuse einzudringen und auf zwei Bereichen 268 und 370 auf den beiden Zinken aufzutreffen und dort zu haften. Für sehr kleine Partikel von 1 um oder weniger kann eine Beschichtung aus Gold oder Nickel die Haftoberflächen 368 und 370 bilden. Für Partikel größer 1 um kann eine klebrige Substanz, wie beispielsweise eine dünne Schicht eines Hochtemperatur-Vakuumfettes diese Partikel festhalten. Die zusätzliche Masse dieser Partikel erhöht die Masse der Zinken und verursacht eine entsprechende Abnahme der Resonanzfrequenz. Das Gewicht des am Kristall haftenden partikelförmigen Materials kann durch Messen der entsprechenden Änderung der Resonanzfrequenz der Stimmgabel 350 gemessen werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt die Stimmgabel 350 einen Rahmen 372. Dies erleichtert das Anordnen der Spiegel/Photozelle 360 mit Bezug auf die beiden Zinken 368 und 370 derart, daß keine zusätzlichen Teile notwendig sind, um den Spiegel in Bezug auf die Zinken in Stellung zu halten. Der Resonator von Fig. 1 kann deshalb außerdem einen Rahmen so umfassen, daß die optische Faser 60 an dem Rahmen befestigt werden kann, um seine Stellung relativ zu den beiden Zinken 28 und 30 zu fixieren. Der mit Bezug auf Fig. 2A beschriebene Resonator 102 kann ebenfalls integral mit dem Rahmen so ausgebildet sein, daß die optische Faser 100 an dem Rahmen befestigt werden kann.
Fig. 8A zeigt eine schematische Ansicht eines Quarzstimmgabelresonator-Meßwandlers zum Erfassen und Messen gasförmiger Schmutzstoffe. Die Schwingungsanregung der Stimmgabel 400 kann in jeder der vorstehend beschriebenen Arten erfolgen. Beide Arme der Stimmgabel 400 weisen durch 402 und 404 wiedergegebene chemisch aktive Verbindungen auf, die sich mit zu erfassenden speziellen chemischen Verbindungen verbinden. Der Rest des Quarzkristalls kann mit einer nichtaktiven Schutzbeschichtung, wie beispielsweise Steatit oder Spinel beschichtet sein. Das Gehäuse 406 enthält eine halbdurchlässige Membran 408, die selektiv den Durchgang des zu erfassenden Gases von der Außenseite zur Innenseite des Gehäuses zuläßt. Die durch das Anhaften der Gasmoleküle an die Bereiche 402, 404 verursachte Änderung der Masse der Stimmgabelarme verursacht eine Änderung der Resonanzfrequenz der Stimmgabel, die an entferntem Ort erfaßt und gemessen werden kann. Wenn die Membran 408 beispielsweise hyperphob ist und aus Mikrokanal-Teflon aufgebaut ist, was den Durchlaß der meisten Gase, mit Ausnahme von Wasserdampf, zuläßt, und wenn die Stellen 402 und 404 mit einem dünnen Film aus Palladium beschichtet sind, kann der Meßwandler 400 verwendet werden, um die Anwesenheit der meisten Gase zu erfassen. Stärker selektive chemische Meßfühler hängen von der Art der Membran 408 und der Bindeorsoptivität des Materials an den Zinken ab. Beispielsweise kann die Membran auf eine bestimmte chemische Substanz oder ein Antigen selektiv chemisch aktiv sein, was in der Freigabe eines Gases resultiert, das durch die Bereiche 402 und 404 nachfolgend sorbiert worden ist.
Der Meßwandler von Fig. 8A kann auch zur Erfassung von Druck über die Erfassung der Kondensation eines Gases auf dem Meßwandler verwendet werden. Wenn die Temperatur des den Meßwandler umgebenden Gases im wesentlichen konstant gehalten wird, ist die Kondensation des Gases auf dem Meßwandler proportional zu dem Druck des Gases. Durch Messen der Kondensationsmasse auf dem Meßwandler kann der Druck des Gases gemessen werden.
Fig. 8B zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Detektors für gasförmige Schmutzstoffe, bei dem eine Doppelstimmgabelanordnung verwendet wird. Die beiden Stimmgabeln 420 und 422 schwingen hier mit zwei getrennten und unterschiedlichen Frequenzen. Das Gehäuse 424 weist gasdurchlässige Bereiche 426 und selektiv sorbierende Bereiche 423 und 430 auf, die unterschiedliche Materialien sein können, und die deshalb unterschiedliche Gase erfassen. Der eingespeiste Lichtstrahl 432 wird durch die Bewegung der beiden Schwinggabeln moduliert, um ein moduliertes Ausgangssignal 434 zu erzeugen, das die beiden Resonanzfrequenzen der beiden Stimmgabeln umfaßt. Eine nicht dargestellte elektrische Verarbeitungseinheit kann diese beiden unterschiedlichen Frequenzen trennen und dadurch die Änderungen der Frequenzen bestimmen und damit die Menge jedes der beiden auf den beiden Stimmgabeln niedergeschlagenen Gase. Unter anderen Voraussetzungen umfaßt eine der beiden Stimmgabeln keinen chemisch sorbenten Bereich, sondern arbeitet als ein Temperatur- oder Druckmeßfühler und bildet dadurch einen kombinierten Meßfühler für Temperatur und eine chemische Substanz oder einen Meßfühler für Druck und eine chemische Substanz. Diese Fähigkeit ist dann besonders hilfreich, wenn die Erfassung einer chemischen Substanz stark von ihrer Temperatur oder ihrem Druck abhängt. In ähnlicher Weise können mehr als zwei Stimmgabeln, einschließlich geschlossenendige Stimmgabeln (die nachfolgend beschrieben werden) eingesetzt werden, um eine Anzahl von Gasen zu messen oder die Temperatur und den Druck zu überwachen und eine chemische Substanz zu erfassen. Offensichtlich können Stimmgabeln anderer Formen verwendet werden, als die in Fig. 8A gezeigten, beispielsweise Stimmgabeln, die in den Fig. 1, 2A, 3, 4, 5A, 9A und 10 gezeigt sind. Sämtliche dieser Anordnungen werden vom Schutzumfang der Erfindung umfaßt.
Die Figuren 9A, 9B und 9C zeigen noch eine weitere alternative Ausführungsform von optischen Meßwandlern die Erfindung, die einen ladungsempfindlichen Doppelstabresonator einschließt, der zwei geschlossenendige Stimmgabelresonatoren umfaßt. Die Resonanzcharakteristiken von geschlossenendigen Stimmgabelresonatoren sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt. Die optischen Modulationstechniken der geschlossenendigen Stimmgabelresonatoren sind ähnlich zu denjenigen der vorstehend beschriebenen offenendigen Stimmgabeln. Mit Bezug auf die Figuren 9A und 9C schwingen die beiden Stimmgabelresonatoren 450 und 452 mit im wesentlichen entgegengesetzter Phase, so daß ein lichtabsorbierendes Gitter 454 in Kombination mit einem lichtreflektierenden Gitter 458 und ein lichtabsorbierendes Gitter 456 in Kombination mit einem lichtreflektierenden Gitter 460 das Licht modulieren, das von den Gittern 458, 460 zur Linse 464 reflektiert wird, die das reflektierte Licht daraufhin auf die optische Faser 462 zur Erfassung fokusiert. Die Spiegel/Photozelle 466 übt dieselbe Funktion aus wie das Element 274 der Figuren 5A und 5B.
Wie in Fig. 9B gezeigt, ist das Paar geschlossenendige Stimmgabelresonatoren symmetrisch in einem Gehäuse 468 angeordnet. Das Gehäuse 468 ist von der Umgebung durch ein biegsames Diaphragma 470 getrennt, das die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck P2 und dem Außendruck P1 erfühlt und dadurch eine Änderung der Kraftbelastung der offenendigen Stimmgabelresonatoren bewirkt. Eine Änderung der Kraftbelastung ändert die Resonanzfrequenzen der beiden Resonatoren, und der Meßwandler der Figuren 9A, 9B und 9C kann zum Messen von Druckdifferenzen verwendet werden. Anstatt Druckdifferenzen zu messen, können die Meßwandler der Figuren 9A, 9B und 9C auch verwendet werden, um eine Druck- oder Zugkraft zu messen, die an das Zentrum des Diaphragmas angelegt ist. Ein am Zentrum des Diaphragmas angeordnetes Gewicht 472 legt eine Kraft an die unter Resonanz schwingende Struktur an und ändert ihre Resonanzfrequenzen, wie das jede Beschleunigung oder Schwingungsbewegung in der Richtung des Pfeiles 471 tut.
Fig. 10 ist eine teilweise im Querschnitt und teilweise im Aufriß gezeigte Ansicht eines weiteren optischen Meßwandlers der Erfindung zur Veranschaulichung, wie die Erfindung dieser Anmeldung zum Messen von Kraft und Druck eingesetzt werden kann. Wie in Fig. 10 gezeigt, wird ein Quarzkristallresonator 500 der gezeigten Form verwendet, um den Druck oder die Kraft P1 zu messen. Eine optische Faser 502 sendet und empfängt optische Signale zum bzw. vom Resonator 500. Der Resonator 500 ist wie bei den vorstehend beschriebenen Druckmeßwandler-Ausführungsformen durch ein Gehäuse 502 und ein Diaphragma 504 umschlossen. Ein Druck oder eine Kraft P1 wirkt auf das Diaphragma 504, um die Resonanzfrequenzen der beiden Stabresonatoren 506 und 508 zu ändern. Die beiden Stabresonatoren werden bevorzugt mit derselben Last belastet, so daß sie dieselben Resonanzfrequenzen aufweisen, um die Erfassung und Messung der Modulationen ihrer Resonanzfrequenzen zu vereinfachen. Um sicherzustellen, daß die beiden Resonatoren mit derselben Last belastet werden, sollte P1 an das Diaphragma 504 symmetrisch angelegt werden.
Zwischen den beiden Stabresonatoren befinden sich zwei Arme 510 und 512. Ein Lichtfluß 514 wird über die optische Faser 502 zugeführt, bewegt sich den Arm 510 hinunter, überquert den Spalt 516 zwischen den beiden Armen zum Arm 512, wird durch den Spiegel an der vorderen Oberfläche der Photozelle 518 reflektiert, läuft seinen Pfad zur optischen Faser 502 zurück und wird daraufhin zum Photodetektor in einer ähnlichen Weise, wie dies mit Bezug auf die anderen Ausführungsformen vorstehend beschrieben worden ist, übertragen. Die Stabresonatoren 506 und 508 sind jeweils mit Verschlüsse 522, 524 bildenden vorstehenden Abschnitten versehen. Schwingungen der Stabresonatoren 506 und 508 modulieren über die Verschlüsse 522 und 524 den Lichtfluß, der zu der optischen Faser 502 derart zurückreflektiert wird, daß die durch das Diaphragma 504 zum Resonator 500 übertragene Kraft durch Messen des zur optischen Faser 502 zurückgeleiteten Lichtflusses gemessen und erfaßt werden kann. Wie bei den anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bildet der in Fig. 10 gezeigte Meßwandler den wegwerfbaren Teil eines Meßinstruments, das an die optische Faser 502 angeschlossen ist, wobei das Instrument fern vom Ort der Messung angeordnet werden kann.
Der Betrag des tatsächlich durch das Diaphragma zum Resonator 500 übertragenen Drucks hangt von der Steifheit der Membran ab. Wenn die Membran steif ist, kann ein großer Teil des Drucks durch den Rahmen des Gehäuses 503 und lediglich ein kleinerer Tei durch den Resonator aufgenommen werden. Durch Auswählen eines Diaphragmas geeigneter Steifheit kann der Meßwandler 500 zur Erfassung von Druck in einem gewünschten Bereich abgestimmt werden.
Bei den optischen Meßfühlern der Figuren 9A, 9B und 9C und der Figur 10 handelt es sich um zwei Ausführungsformen, die geschlossenendige Stimmgabelmeßwandler einsetzen. Wie vorstehend beschrieben, können beide Ausführungsformen zum Messen von Druck oder Kraft verwendet werden. Die beiden Ausführungsformen können jedoch auch zum Messen einer Anzahl weiterer physikalischer Parameter verwendet werden, wenn eine Masse 472 von Fig. 9B am Kopf des Meßwandlers bei jeder Ausführungsform angeordnet wird. Beide können verwendet werden, um eine Beschleunigung zu messen. Wenn die am Kopf des Meßwandlers angelegte Masse keine Beschleunigung aufweist, zeigt die Modulation der Resonanzfrequenz einfach das Gewicht oder die Masse an. Wenn der Meßwandler beschleunigt wird, veranlaßt die Beschleunigung des Meßwandlers die Masse jedoch dazu, eine Kraft auf den Meßwandler auszuüben, die in Abhängigkeit der Beschleunigungsrichtung größer oder kleiner als ihr Gewicht ist.
Die Elemente 510 und 512 können in herkömmlicher Weise durch (nicht dargestellte) Treiberelektroden zur Schwingung angeregt werden. Jedes der beiden Elemente kann als offenendige Stimmgabel mit darin ausgebildetem Schlitz ausgebildet sein. In Fig. 10 weist das Element 510 einen (in Phantomlinien dargestellten) Spalt 563 so auf, daß das Element 510 eine offenendige Stimmgabel mit zwei durch den Spalt 563 getrennten symmetrischen Zinken wird. Die durch jedes Element gebildete offen-endige Stimmgabel kann mit einer Frequenz zur Schwingung angeregt werden, die sich von den Schwingungen der geschlossenendigen Stimmgabel unterscheidet. Wenn eine derartige offenendige Stimmgabel zum Messen der Temperatur verwendet wird, kann die gesamte Vorrichtung von Fig. 10 zum gleichzeitigen Messen der Temperatur und eines weiteren physikalischen Parameters, wie beispielsweise Druck, Kraft oder Beschleunigung, verwendet werden.
Die beiden Ausführungsformen der endseitig geschlossenen Stimmgabeln können auch zum Messen von Schwingungen oder akustischen Wellen verwendet werden. Das Diaphragma 470 oder das Diaphragma 504 werden durch die akustische Welle zur Schwingung angeregt, was einen an den Meßwandler der beiden Ausführungsformen angelegten sich verändernden Druck oder eine sich verändernde Kraft verursacht. Eine derartige sich ändernde Kraft oder ein sich ändernder Druck werden in derselben Weise erfühlt, wie dies vorstehend mit Bezug auf die Figuren 9A, 9B, 9C und 10 beschrieben ist.
Die beiden Ausführungsformen der endseitig geschlossenen Stimmgabeln können in ähnlicher Weise zum Erfassen der Temperatur, von chemischen Substanzen und Partikeln benutzt werden wie die endseitig offenen Stimmgabeln, die mit Bezug auf die Figuren 4, 7, 8A und 8B beschrieben werden. Alle diese Anwendungen werden vom Schutzbereich der Erfindung umfaßt.
Die beiden Ausführungsformen der endseitig geschlossenen Gabel können zusätzlich zu den vorstehend genannten Anwendungen auch zum Erfassen einer Versetzung (Dehnung) verwendet werden. Fig. 11 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht eines endseitig geschlossenen Stimmgabelresonators zum Erfassen von Versetzungen. Die endseitig geschlossene Stimmgabel 540 wird entweder an ein nachgiebiges mehrblättriges Federelement 542 angeschlossen oder integral mit diesem ausgebildet. Das Federelement wirkt, insbesondere wenn es aus einem einzigen Quarzstück aufgebaut ist, als ein hochlineares und nachgiebiges Federelement mit niedriger Hysterese. Eine Versetzung dX biegt die Quarzbalken 544, die eine Federkonstante K haben. Dies resultiert in einer Spannungs- oder Druckkraft auf den Stimmgabelresonator 540. Dadurch überführt die Feder 542 die Versetzung dX in eine Kraft auf den Resonator 540, die daraufhin in der vorstehend beschriebenen Weise gemessen wird. Die Größe der auf den Resonator 540 einwirkenden Kraft kann durch Auswählen der gewünschten Federkonstante K für die Feder 542 ausgewählt werden. Die Feder kann mit einer geeigneten Federkonstante zum Überführen einer Versetzung dX in eine gewünschte Kraft in herkömmlicher Weise ausgewählt werden. Die Spiegel/Photozelle 546 hat dieselbe Funktion wie das Element 518 von Fig. 10.
Die folgende Tabelle faßt die Anwendungen der endseitig offenen und geschlossenen Stimmgabel-Meßwandler, soweit sie bis hier beschrieben worden sind, zusammen: ANWENDUNG ART DER MESSWANDLER Druck Temperatur Kraft Versetzung (Dehnung) Beschleunigung Chemische Substanz Partikel/Mikrowaage offenendige, geschlossenendige Stimmgabeln geschlossenendige Stimmgabel mit einer Feder geschlossenendige Stimmgabel mit einer Masse
Die Figuren 12A bis 12E zeigen schematische Ansichten zur Veranschaulichung, wie die optischen Meßfühler die Erfindung zum Messen noch weiterer physikalischer Parameter verwendet werden können. Diese Anwendungen gleichen sich darin, daß der physikalische Parameter zuerst in ein repräsentatives elektrisches Signal umgewandelt wird, das dann an einen piezoelektrischen oder ferroelektrischen Kristall zur Schwingungsanregung des Kristalls angelegt wird. Die Schwingungen des Kristalls werden dann optisch erfaßt, um den physikalischen Parameter zu messen. Sämtliche der vorstehend beschriebenen offen- und geschlossenendigen Stimmgabelmeßwandler können zum Messen der physikalischen Parameter in dieser Art verwendet werden. Weil die Antriebsenergie zum Schwingungsanregen der Kristallmeßwandler von dem zu messenden physikalischen Parameter oder einer Variablen selbst herrührt, wird die in den vorstehend genannten Ausführungsformen verwendete Photozelle zur Schwingungsanregung des Kristalls nicht länger benötigt.
Fig. 12A zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Meßwandlervorrichtung zum Messen eines Lichtsignals. Das Lichtsignal 550 wird auf einen Photodetektor 552 gerichtet, der eine Spannung erzeugt, die für das Lichtsignal 550 repräsentativ ist. Das Spannungssignal über den Anschlüssen A, B wird an die Treiberelektroden des offen- oder geschlossenendigen Stimmgabelmeßwandlers der vorstehend genannten Ausführungsformen angelegt, um die Wechselspannungskomponente des Lichtsignals zu messen.
Fig. 12B zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Meßwandleranordnung zum Messen elektromagnetischer oder Strahlungssignale. Wie in Fig. 12B gezeigt, wird das elektromagnetische oder Strahlungssignal 554 auf einen Umwandlerschirm 556 gerichtet, der das Signal mittels Lumineszenz in ein Lichtsignal umwandelt, das durch den Photodetektor 558 erfaßt wird, der seinerseits ein Spannungssignal über den Anschlüssen A, B erzeugt. Das Spannungssignal wird erneut an die Treiberelektroden der offen- und geschlossenendigen Stimmgabelmeßwandler der vorstehend genannten Ausführungsformen zum Messen des Signals angelegt. Eine Anzahl von auf phosphorisierendem Material und auf einem Kristall basierenden Umwandlerschirmen sind entweder zum Umwandeln von UV-, sichtbarem oder IR-Licht, Strahlungs- oder Ionisations- oder Röntgenstrahlungssignalen in Lichtsignale zur Verfügung. Der phosphorisierende Umwandlerschirm dieses Typs wird von der 3M Company unter dem Handelsnamen Trimax hergestellt, der zum Erfassen von Röntgenstrahlen verwendet werden kann. Viele andere bekannte fluoreszierende Materialien können verwendet werden. Das geeignete Material kann in Abhängigkeit von dem speziellen zu messenden Signal ausgewählt werden.
Fig. 12C zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Meßwandlervorrichtung zum Messen eines elektrischen Signals. Das sich ändernde elektrische Signal 560 kann direkt angelegt werden, um die vorstehend beschriebenen offen- und geschlossenendigen Stimmgabelmeßwandler zu treiben. Ein Gleichspannungsunterdrückungskondensator 562 kann jedoch verwendet werden, um die Gleichspannungskomponente des Signals 560 zu unterdrücken, wenn die Gleichspannungskomponente für die Quarzkristalle zu groß ist. Der Kondensator 562 kann auch als ein Meßwandler verwendet werden, wenn die Amplitude des elektrischen Signals 560 konstant gehalten wird. Die Kapazität des Kondensators kann durch mechanisches Abstimmen des Kondensators geändert werden oder durch den Einfluß eines sich ändernden physikalischen Parameters, wie beispielsweise Temperatur, Druck oder akustische Wellen. Dies verursacht dann eine Änderung des Spannungspotentials an den Anschlüssen A und B, die optisch unter Verwendung der optischen Meßfühler dieser Anmeldung erfaßt werden kann.
Fig. 12D zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Meßwandlervorrichtung zum Messen eines sich ändernden Magnetfelds. Wie in Fig. 12D gezeigt, wird ein magnetischer Meßwandler, wie beispielsweise eine Drahtspule 564 in einem vorhandenen, sich ändernden Magnetfeld 566 angeordnet. Das sich ändernde Magnetfeld erzeugt ein Spannungssignal über den Anschlüssen A, B, das zum Treiben der Stimmgabelmeßwandler zum Erfassen des magnetischen Signals 566 verwendet wird.
Fig. 12E zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Meßwandlervorrichtung zum Messen einer Kraft. Die Kraft 568 wird an einen piezoelektrichen Kraftmeßwandler 570 angelegt, um den Meßwandler dazu zu veranlassen, ein Spannungssignal über den Anschlüssen A und B zu erzeugen, das verwendet wird, um die mit Bezug auf die Figuren 1 bis 11 vorstehend beschriebenen Stimmgabelmeßwandler zum Messen dieser Kraft zu treiben.
Bei der vorstehenden Beschreibung der optischen Meßfühler und ihrer Anwendungen in Bezug auf die Figuren 1 bis 11 werden die Meßwandler durch das Licht von einer Lichtquelle und ein Rückkopplungssystem in Schwingung versetzt. Der zu messende physikalische Parameter moduliert diese Schwingungen der Meßwandler. Der physikalische Parameter wird daraufhin durch Messen dieser Modulationen gemessen. Der physikalische Parameter kann durch Messen der Amplitude, der Frequenz oder Phase der Modulationen der Stimmgabelschwingungen gemessen werden.
Bei den mit Bezug auf die Figuren 12A bis 12E beschriebenen Meßwandlervorrichtungen und Anwendungen wird der zu messende physikalische Parameter zuerst in ein elektrisches Signal umgewandelt, das daraufhin verwendet wird, um die Stimmgabelmeßwandler zu bewegen. Keine getrennte Lichtquelle oder Photozelle wird zum Schwingungsantreiben der Meßwandler verwendet. Wenn deshalb der zu messende physikalische Parameter sich nicht ändert (ein konstantes Magnetfeld kann beispielsweise durch die Vorrichtung von Fig. 12D nicht gemessen werden) moduliert die Stimmgabel bei oder unter der Resonanzfrequenz nicht. Anstattdessen bewegen sich die Zinken oder Balken der Schwinggabel in Erwiderung auf die elektrische Spannung voneinander weg oder aufeinander zu. Eine derartige Versetzung wird gemessen, um den physikalischen Parameter zu messen.
Nachfolgend werden noch weitere Ausführungsformen beschrieben, die Quarzkristalle verwenden, wobei die Kristalle nicht getrennt durch eine Lichtquelle und die Photozelle in Schwingung versetzt werden, wie bei den mit Bezug auf die Figuren 1 bis 11 beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr sprechen die Kristalle auf den zu messenden physikalischen Parameter direkt an. Es versteht sich, daß, obwohl die nachfolgenden Ausführungsformen als Quarzkristallmeßwandler beschrieben werden, andere Meßwandler, die aus anderen Materialien bestehen, solange verwendet werden können, wie diese Meßwandler unter dem Einfluß physikalischer Parameter sich zu biegen und nachzugeben vermögen. Alle diese Konfigurationen werden vom Schutzbereich der Erfindung umfaßt.
Ein derartiger Meßwandler ist in Fig. 13A gezeigt, die eine Querschnittsansicht eines Meßwandlers zeigt, um eine weitere alternative Ausführungsform des optischen Meßwandlers der Erfindung zu veranschaulichen. Wie in Fig. 13A gezeigt, umfaßt der Meßwandler 600 einen Quarzkristall, der im wesentlichen dieselbe Gestalt wie der Kristall 500 von Fig. 10 hat. Die beiden Stangen oder Stäbe 604, 606 haben zusätzlich zu den Verschlüssen 608 und 610, die sich in den Spalt zwischen die Arme 612 und 614 erstrecken, zwei Finger 622 und 624 an den Seiten der Stäbe 604, 606, gegenüberliegend zu den Verschlüssen. Die beiden Finger 622 und 624 befinden sich jeweils im Kontakt mit einem jeweiligen Diaphragma 626 und 628. Die beiden Diaphragmen sind an Rahmenteilen 630 und 632 angebracht, die an dem Kristall 602 befestigt sind. Die beiden Diaphragmen können dieselben oder physikalisch unterschiedlich voneinander sein. Eine optische Faser 624 durchsetzt ein Loch im Teil 632, um das modulierte Lichtsignal von dem Kristall 602 zu übertragen. Das Licht wird dem Kristall 602 über die Faser 624 von einer (nicht gezeigten) Lichtquelle zugeführt. Das zugeführte Licht durchläuft die Arme 614, 612, wird durch einen Spiegel 636 reflektiert, und läuft seinen Pfad zurück zur Faser 634, die das reflektierte Licht zu einem (nicht gezeigten) Photodetektor überträgt. Der zu messende physikalische Parameter, wie beispielsweise eine Kraft, ein Druck, eine Versetzung, sowie akustische Wellen, können an die beiden Diaphragmen 626 und 628 angelegt werden. Da die beiden Finger 622 und 624 mit den beiden Diaphragmen verbunden sind, verursacht eine Bewegung der Diaphragmen, daß das durch den Spiegel reflektierte und durch die optische Faser zu einem Photodetektor übertragene Licht aufgrund der Verschlüsse 608, 610 amplitudenmoduliert wird. Wenn an einem der beiden Diaphragmen eine Masse befestigt wird, lenkt die Beschleunigung der Masse in einer Richtung quer zu dem Diaphragma den Verschluß aus und moduliert das durch den Photodetektor erfaßte Licht. Dadurch kann der Meßwandler 600 auch als ein Beschleunigungsmesser verwendet werden.
Fig. 13B zeigt eine Querschnittsansicht noch eines weiteren Quarzstimmgabelmeßwandlers zur Veranschaulichung noch einer anderen alternativen Ausführungsform des optischen Meßwandlers der Erfindung. Wie in Fig. 13B gezeigt, umfaßt der Meßwandler 650 einen Stimmgabelkristall 652, der im wesentlichen derselbe ist wie der Kristall 150 von Fig. 3A, mit Ausnahme der Tatsache, daß der Kristall 652 bezüglich seiner Form leicht unterschiedlich ist im Vergleich zu dem Kristall 150, und daß der Kristall zwei zusätzliche Finger 622, 624 aufweist. Vergleicht man die Figuren 13A und 13B, so ist der Meßwandler 650 von Fig. 13B identisch mit dem Meßwandler 600 von Fig. 13A, mit dem Unterschied, daß ein unterschiedlich geformter Kristall 652 anstelle des Kristalls 602 von Fig. 13A verwendet wird. Die Teile, die in diesen beiden Figuren funktionsmäßig identisch sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In ähnlicher Weise, wie dies für den Meßwandler 600 vorstehend beschrieben worden ist, kann der Meßwandler 650 von Fig. 13B zum Messen eines Drucks, einer Kraft, einer Versetzung, einer Beschleunigung und von akustischen Wellen verwendet werden. Die Meßwandlerausführungsformen der Figuren 1, 2A, 4, 5A können in ähnlicher Weise modifiziert und anstelle des Kristalls 652 in Fig. 13B verwendet werden. Sämtliche dieser Konfigurationen werden vom Schutzbereich der Erfindung umfaßt.
Fig. 14A zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers, der eine alternative Ausführungsform des optischen Meßwandlers der Erfindung veranschaulicht. Der optische Meßwandler 700 umfaßt einen Quarzkristall 702, der eine zentrale Zinke 704 aufweist, die von einem Rahmen 706 umgeben ist. Ein Verjüngen des Kristalls an einem Ende ist die Ursache dafür, daß die zentrale Zinke und der umgebende Rahmen an ihrem Scheitel sehr dünn werden. Eine derartige Verjüngung läßt sich auch aus der teilweisen Querschnittsansicht des Kristalls 702 in Fig. 14B erkennen. Eine optische Faser 710 führt dem Kristall 702 Licht zu, das von einem Spiegel 712 reflektiert wird, um durch die Faser 710 zurückempfangen zu werden. Ein dickes Metallfilmgewicht 714, das auf das Ende der zentralen Zinke plattiert ist, erhöht das Trägheitsmoment der zentralen Zinke relativ zu der umgebenden Zinken zum Erfassen einer Beschleunigung. Bewegungen in der durch 716 bezeichneten Richtung verursachen eine Relativversetzung zwischen der zentralen Zinke und ihrem Rahmen, wodurch außerdem eine optische Modulation des zur Faser 710 zurückreflektierten Lichtstrahls verursacht wird.
Die zentrale Zinke kann auch über ein verlängertes Element, wie beispielsweise einen Stab 718 an ein geeignet angebrachtes Diaphragma 720 angeschlossen sein. Der zu messende physikalische Parameter, wie beispielsweise ein Druck, eine Kraft, eine Versetzung oder akustische Wellen, veranlassen das Diaphragma 720 sich zu bewegen. Die Bewegung des Diaphragmas wird durch den Stab 718 übertragen und veranlaßt eine relative Bewegung zwischen der zentralen Zinke und ihrem Rahmen, wodurch das zur Faser 710 zurückübertragene Licht ebenfalls moduliert wird. Der physikalische Parameter kann daraufhin gemessen werden. Durch In- Kontakt-Bringen einer Masse mit dem Diaphragma 720 kann wiederum eine Beschleunigung der Masse in derselben Weise gemessen werden.
Fig. 15 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Meßwandlervorrichtung, bei der das Meßwandlerelement teilweise weggeschnitten und perspektivisch gezeigt ist, um eine weitere alternative Ausführungsform des optischen Meßwandlers der Erfindung zu veranschaulichen. Die Meßwandlervorrichtung 800 umfaßt eine Meßfühlereinheit 802. Die Einheit 802 umfaßt ein Gehäuse 804 mit zwei Fenstern 806 und 808. Das Gehäuse 804 umfaßt einen Stimmgabel- Meßfühler 810. Die Stimmgabel 810 kann entweder die offen- oder geschlossenendige Stimmgabel sein, die in dem Biege-, dem Torsions- oder dem senkrechten Schwingungsmodus betrieben wird. Die Meßfühlereinheit 802 kann verwendet werden, um einen der mit Bezug auf die anderen Ausführungsformen diskutierten physikalischen Parameter zu erfühlen. Die Innenseitenoberfläche 812 des Gehäuses 804 kann entweder lichtabsorbierend oder lichtreflektierend in Abhängigkeit von der jeweiligen Schwingung oder dem jeweiligen Modus der Stimmgabel sein. Die Quelle 820 richtet den Laser 822 auf die Stimmgabel 810. Der Laserstrahl 822 wird durch die Stimmgabel entweder reflektiert oder moduliert, und das reflektierte oder modulierte Licht 824 wird schließlich durch eine Detektorvorrichtung 830 zum Messen des physikalischen Parameters empfangen, der die Schwingungen der Stimmgabel 810 moduliert. Die Art und Weise, in der der Lichtstrahl 822 mit dem Ergebnis des modulierten Lichtstrahls 824 durch die Schwingungen der Stimmgabel 810 moduliert wird, wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 16A, 16B und 16C beschrieben.
Ein Teil des Laserstrahls 822 tritt außerdem in das Fenster 808 ein und trifft auf eine Photozelle 832. Die Zelle 832 liefert elektrische Energie zum Treiben eines integrierten Oszillators 834, der seinerseits die Stimmgabel 810 elektrisch treibt.
Der Vorteil der Meßwandlervorrichtung von Fig. 15 besteht darin, daß eine Anzahl von Meßwandlerelementen an verteilten oder anderweitig unzugänglichen Orten angeordnet werden können, wo diese Elemente durch Laserstrahlen abgetastet werden. Keine optischen Fasern oder Verbindungen außer den Laserstrahlen sind notwendig, so daß die Vorrichtung bei niedrigen Kosten hergestellt und betrieben werden kann.
Die Figuren 16A, 16B und 16C zeigen schematische Ansichten der Zinken 842, 844 der Stimmgabel 810 zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Arten, in denen die Schwingung der Stimmgabel den Lichtstrahl 822 moduliert. Wie in Fig. 16A gezeigt, kann die Stimmgabel 810 in einem Torsionsmodus schwingen. Die vorderen Oberflächen der beiden Zinken sind mit einem lichtreflektierenden Material derart beschichtet, daß der Lichtstrahl 822 unter einem Winkel zum Lichtstrahl 822 in Lichtstrahlen 824 reflektiert wird. Die Innenseitenoberfläche 812 von Fig. 15 ist in diesem Fall lichtabsorbierend. Die Detektorvorrichtung 830 erfaßt daraufhin die Frequenzen oder den Betrag der Drehung der beiden Zinken zum Messen des physikalischen Parameters, der die Schwingungen der Stimmgabel moduliert. In Fig. 16B schwingen die beiden Zinken im Biegemodus. Die vorderen Oberflächen der beiden Zinken sind mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet. Ein Spiegel oder ein zurückreflektierendes Element 846 ist hinter den Zinken angeordnet. Der Lichtstrahl 822 wird daraufhin durch den Spiegel 846 entlang seines eintreffenden Pfads reflektiert. Die Biegeschwingungen der Zinken modulieren die Menge des vom Spiegel 846 reflektierten Lichts. Der zu messende physikalische Parameter moduliert die Schwingungen der Zinken. Deshalb zeigt eine Messung der Modulationen des Strahls 824 die Phase, Frequenz oder Amplitude des physikalischen Parameters an. In Fig. 16C ist die vordere Oberfläche der beiden Zinken mit einem lichtreflektierenden Material beschichtet. Die beiden Zinken sind jedoch zwischen einem lichtabsorbierenden Schirm 850 mit einer darin vorgesehenen Blende so angeordnet, daß dann, wenn die Zinken schwingen, der reflektierende Bereich der Zinken, der durch den Schirm 850 abgedeckt ist, moduliert wird. Auf diese Weise modulieren Schwingungen der Zinken die Intensität des reflektierten Strahls 824.
Die Figuren 17A bis 22 sind auf Ausführungsformen zum Messen elektromagnetischer Parameter, wie beispielsweise eines Stroms, eines Magnetfelds oder einer Spannung, mittels Resonatoren gerichtet, die mit einem Körper verbunden sind, der auf den elektromagnetischen Parameter anspricht. Der Parameter veranlaßt den Körper dazu, seine Abmessung entlang einer bestimmten Richtung zu ändern. Der Körper ist mit dem Resonator derart verbunden, daß dann, wenn der Körper dazu veranlaßt wird, seine Abmessung durch den Parameter zu ändern, der Körper eine Kraft an den Resonator anlegt, wodurch die Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird. Die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators wird daraufhin erfaßt, um den Parameter zu erfassen und zu messen. Die vorstehend beschriebenen, unter Resonanz schwingenden optischen Meßwandler sind besonders vorteilhaft zur Verwendung bei der Messung der elektromagnetischen Parameter. Wie vorstehend angeführt, werden derartige optische Meßfühler und die optischen Vorrichtungen zur Resonanzschwingungsanregung und zum Abfragen der Meßwandler nicht durch eine hohe elektrische Spannung oder hohe magnetische Felder beeinflußt; aus diesem Grund behalten derartige Meßwandler ihre hohe Genauigkeit selbst dann bei, wenn sie in starken Magnetfeldern angeordnet oder hohen Spannungen ausgesetzt werden. Sie können deshalb zum Messen von Strom in Hochspannungsübertragungkabeln ebenso verwendet werden, wie für Präzisionsmessungen von Spannungsdifferenzen unter diesen hohen Spannungspotentialen. Bei vielen vorstehend beschriebenen optischen Meßwandlerausführungsformen werden die Meßwandler mittels Spannungen zur Resonanzschwingung angeregt, die an die Meßwandler angelegt werden, wobei die Spannung von der optischen Energie erzeugt wird, die durch faseroptische Kabel zugeführt wird. Die elektrisch isolierenden faseroptischen Kabel erlauben die Messung in Hochspannungsumgebungen. Während bei den meisten der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen faseroptische Kabel verwendet werden, um die optische Energie für die Resonanzschwingungsanregung der Meßwandler zuzuführen, kann die in den Figuren 15 bis 16C gezeigte Laserstrahlvorrichtung auch in diesen Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden, um die Meßfühler ferngesteuert mit Leistung zu versehen und abzutasten. Bei dieser besonderen Ausführungsform wird anstelle der Zuführung optischer Leistung über Faseroptikkabel ein Laserstrahl direkt auf die Meßfühler gerichtet, ohne über faseroptische Kabel zu gehen, um den Meßwandler ferngesteuert mit Leistung zu versorgen und abzutasten. Da eine Vielfalt von Konfigurationen für den optischen Meßwandler verwendet werden kann, wird der optische Meßwandler bei der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Figuren 17A bis 22 einfach durch eine Box wiedergegeben, die an eine oder zwei optische Fasern angeschlossen ist. Dort, wo ein Laserstrahl verwendet wird, um den Meßwendler mit Energie zu versorgen und abzutasten, werden selbstverständlich in den Figuren 17A bis 22 keine optischen Fasern benötigt. Es versteht sich jedoch von selbst, daß derartige optische Vorrichtungen auch in den Figuren 17A bis 22 verwendet werden können.
Fig. 17A zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßwandlers zum Messen von Magnetfeldern. Ein kraftfühlender optischer Meßwandler 860 (wie beispielsweise der Meßwandler 450, 452 von Fig. 9A, der Meßwandler 500 von Fig. 10 oder der Meßwandler 540 von Fig. 11), wird an jedem Ende an einem Block eines magnetostriktiven Körpers 862 durch die Binde- bzw. Klebeschicht 864 befestigt. Wenn die Meßwandler der Figuren 9A, 10 und 11 verwendet werden, wird lediglich eine optische Faser benutzt, um sowohl die Schwingungen des Resonators 860 optisch mit Energie zu versorgen, wie auch die Modulationen der Lichtintensität zu erfassen, die durch die Resonanz des Resonators 860 erzeugt werden. Wenn andere Ausführungsformen des optischen Meßwandlers (wie beispielsweise derjenige von Fig. 1) verwendet werden, werden zwei optische Fasern 866, 868 verwendet, und zwar eine zur Energieversorgung des Resonators und die andere zur optischen Abtastung der Modulationen der Schwingungen des Resonators. Aus Gründen der Vereinfachung ist in den späteren Figuren, in Fig. 18 bis 22, lediglich eine optische Faser gezeigt. In weiteren Ausführungsformen des optischen Meßwandlers, wie beispielsweise demjenigen von Fig. 15, sind keine optische Faser erforderlich. Vielmehr wird, wie vorstehend beschrieben, ein Laserstrahl verwendet.
Der magnetostriktive Körper 862 ändert seine Länge in Erwiderung auf das Magnetfeld 870 in einer Richtung des Felds 870. Da der Körper 862 mit dem Resonator 860 verbunden bzw. an diesem angeklebt ist, verursacht diese Längenänderung eine Kraft, die an den Resonator 860 angelegt wird, wodurch eine Änderung seiner Resonanzfrequenz erzeugt wird. Die Änderung der Resonanzfrequenz wird wie vorstehend mit Bezug auf die Vielzahl der optischen Meßwandlerausführungsformen beschrieben, erfaßt, um das Magnetfeld 870 zu erfassen und zu messen.
Magnetostriktion kann als eine Änderung der Abmessung eines ferromagnetischen Materials entlang der Achse des angelegten Magnetfelds beschrieben werden. Typische ferromagnetische Materialien sind kristalline Metalle und metallische Gläser, wie beispielsweise Fe, Co und Ni, zusammen mit ihren unterschiedlichen Legierungen. Metallische Gläser, wie beispielsweise Legierungen 2605SC und 2605CO, die auf dem FeBSi-System basieren, sind ebenfalls kommerziell erhältlich. Bei gewissen Anwendungen kann es wünschenswert sein, den Körper 862 an ein Blatt eines anderen Materials 862' (das mit gestrichelten Linien gezeigt ist) anzukleben, das nicht magnetostriktiv ist. Wenn der Körper 862 in Erwiderung auf das Magnetfeld 870 seine Länge ändert, tut dies das Blatt 862' nicht; dies veranlaßt den den Körper 862 und das Blatt 862' umfassenden Block dazu, sich zu biegen. Das Biegen veranlaßt auch den Resonator 860 dazu, seine Länge zu ändern und ändert seine Resonanzfrequenz. Die Modulation der Resonanzfrequenz wird wie zuvor beim Erfassen des Magnetfelds 870 erfaßt. Da das Resonanzelernent 860 ziemlich steif ausgelegt werden kann, ändern Änderungen der tatsächlichen axialen Kräfte seine Länge relativ wenig.
Fig. 17B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Meßwandlers zum Messen eines Spannungspotentials V. Wie in Fig. 17B gezeigt, besteht der Körper 862" aus einem piezoelektrischen anstatt einem magnetostriktiven Material. Dadurch veranlaßt ein über den Körper 862" angelegtes Spannungspotential V den Körper dazu, seine Länge in einer Weise zu ändern, die dem Fachmann auf diesem technischen Gebiet bekannt ist. Dies veranlaßt eine an den Resonator 860 angelegte Kraft dazu, seine Resonanzfrequenz zu ändern. Die Modulaton der Resonanzfrequenz wird wie zuvor für das Messen des elektrischen Potentials V, erfaßt. Der Körper 862" kann auch an einem Blatt eines anderen Materials befestigt sein, wodurch dieses veranlaßt wird, sich zu biegen, wenn die Spannung V angelegt wird. Ein solches Biegen moduliert wiederum die Frequenz des Resonators 860, und derartige Modulationen können zum Messen der Spannung V erfaßt werden.
Fig. 18A zeigt eine Bodenaufrißansicht eines zylindrisch ausgeführten optischen Meßwandlers eines endlosen elektrischen Leiters, der zwei Schleifen bildet, und eines Leiters, der Strom führt, um zu veranschaulichen, wie die Erfindung zum Messen von Strom eingesetzt werden kann. Wie in Fig. 18A gezeigt, wird ein Strom 894 durch einen Leiter 896 geführt, von dem in Fig. 18A ein Abschnitt gezeigt ist. Ein Endlosleiter 898 bildet zwei Schleifen 900 und 902. Die Schleife 902 umgibt den Leiter 896. Der Strom 894 induziert einen Strom im Leiter 898, der seinerseits ein lokales Magnetfeld in der Spule 900 verursacht. Das lokale Magnetfeld in der Spule 900 wird durch einen Meßwandler gemessen, der einen Resonator 880 und eine optische Meßwandleranordnung 882 umfaßt. Der Meßwandler kann beispielsweise eine ähnliche Konfiguration wie derjenige in Fig. 17A aufweisen. Der in Fig. 18A gezeigte Meßwandler unterscheidet sich jedoch von demjenigen von Fig. 17A und ist in Fig. 18B deutlicher gezeigt, die eine Querschnittsansicht des Meßwandlers zeigt. Wie in den Figuren 18A, 18B gezeigt, umfaßt der Meßwandler einen kraftfühlenden optischen Resonator 880, der in der Meßwandleranordnung 882 angebracht ist. Die Anordnung umfaßt zwei Endkappen 886, 888, die an den beiden Enden des länglichen Resonators 880 befestigt sind. Die beiden Endkappen sind mit einem ringförmigen Element verbunden, das zwei ringförmige Abschnitte 890, 892 umfaßt. Der Abschnitt 892 ist ein magnetostriktives Element, das die Länge in Erwiderung auf das lokale Magnetfeld in der Spule 900 ändert. Eine derartige Längenänderung veranlaßt die beiden Endkappen 886, 888 dazu, sich näher aufeinander zu oder weiter voneinander weg zu bewegen, wodurch an den Resonator 880 eine Kraft angelegt wird, um die Resonanzfrequenz zu ändern. Eine derartige Änderung der Resonanzfrequenz wird durch die Faser 884 wie zuvor für die Erfassung des Magnetfelds in der Spule 900 abgefragt, um den vom Leiter 896 geführten Strom 894 indirekt zu erfassen und zu messen.
Der Resonator 880, der magnetostriktive ringförmige Abschnitt 892 ebenso wie die Endkappen 886, 888, expandieren und kontrahieren sämtlich als eine Funktion der Temperatur. Wenn die thermischen Expansionskoeffizienten dieser Materialien derart sind, daß an den Resonator 880 eine Kraft als ein Ergebnis thermischer Expansion und Kontraktion angelegt wird, verursacht diese Kraft auch, daß sich die Resonanzfrequenz des Resonators 880 ungeachtet des Stroms 894 ändert. Dies verursacht Ungenauigkeiten bei der Messung. Es ist deshalb wünschenswert, diese durch thermische Expansion oder Kontraktion verursachten Ungenauigkeiten zu vermindern oder zu beseitigen. Zu diesem Zweck wird ein temperaturkompensierender Ringabschnitt 890 eingesetzt. Wie in Fig. 18A gezeigt, sind die Abschnitte 890, 892 miteinander verbunden und jeweils mit den Endkappen 886 und 888 verbunden. Die Abschnitte 890, 892 bilden ein ringförmiges Element, das an den beiden Endkappen befestigt ist. Der Abschnitt 890 ist derart gewählt, daß die thermische Expansion des ringförmigen Elements, umfassend beide Abschnitte, an diejenige des Resonators in einem weiten Temperaturbereich angepaßt ist, sowie derart, daß die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators dieselbe ist, als wenn der Resonator an nichts angezogen werden würde. Die thermische Expansion dieses ringförmigen Elements kann auch so ausgewählt werden, daß sie die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators in Erwiderung auf eine Temperaturänderung kompensiert. Wenn beispielsweise die Resonanzfrequenz des Resonators mit steigender Temperatur leicht abnimmt, kann das ringförmige Element so ausgelegt sein, daß es eine geringfügig größere thermische Expansion als der Resonator hat. Dies würde die Wirkung haben, daß die Länge des Resonators geringfügig gezogen oder vergrößert werden würde, wodurch die Resonanzfrequenz des Resonators erhöht wird. Das Endergebnis ist ein Meßwandler, dessen Resonanzfrequenz sich nicht mit der Temperatur ändert.
Da das ringförmige Element aus zwei Bestandteilen zusammengesetzt ist, nämlich dem magnetostriktiven (oder piezoelektrischen) ringförmigen Element und einem temperaturkompensierenden ringförmigen Element, würde das temperaturkompensierende ringförmige Element auch die thermische Expansion des magnetostriktiven (oder piezoelektrischen) Elements ausgleichen. Wenn beispielsweise der Resonator aus Quarz und das magnetostriktive Material aus Nickel (dessen thermische Expansion größer ist als diejenige von Quarz für dieselbe Temperaturerhöhung) bestehen würde, sollte das temperaturkompensierende Element eine termische Expansion haben, die geringer ist als diejenige von Quarz. Der Resonator 880 und die Anordnung 882 können selbstverständlich zusammen einfach zur Erfassung und Messung eines Magnetfelds verwendet werden.
Ein Vorteil des Meßwandlers der Figuren 17A bis 22 besteht darin, daß der Resonator ein Signal selbst dann erzeugt, wenn kein Strom oder Magnetfeld oder keine Spennung zur Erfassung vorhanden ist. Dies ist stark unterschiedlich zu gewissen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, bei denen kein Signal erzeugt wird, wenn der zu messende elektromagnetische Parameter Null oder nicht vorhanden ist. Wenn kein Signal erzeugt wird, muß deshalb eine Bedienperson der Meßwandlervorrichtung nach dem Stand der Technik herausfinden, ob die Abwesenheit eines Signals durch eine Fehlfunktion oder einfach durch die Abwesenheit des zu messenden Parameters verursacht ist. Die zylindrische Form der optischen Meßwandleranordnung 882 erlaubt es dieser und der Spule 900, in einem elektromagnetischen Abschirmgehäuse 903 angeordnet zu werden, um die Wirkungen des den Leiter 896 an dem Meßwandler 880, 882 umgebenden elektromagnetischen Felds zu vermindern.
Ähnlich wie in den Figuren 17A, 17B kann der magnetostriktive Abschnitt 892 durch einen piezoelektrischen Abschnitt so ersetzt werden, daß der Resonator 880 und die Anordnung 882 zum alternativen Messen elektrischer Potentiale verwendet werden kann.
Fig. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gelenk-/Hebelarm-Meßwandlers, der ein magnetostriktives (piezoelektrisches) Element und ein Temperaturkompensations-element umfaßt, die dazu verwendet werden, eine Kraft an einen optischen Kraftresonator anzulegen, um einen elektromagnetischen Parameter zu messen. Die Gelenk-/Hebelarm-Struktur 912 umfaßt zwei Arme 916a, 916b, die durch einen Gelenkmechanismus 918 an einem Punkt fern von den Enden der beiden Arme oder Elemente miteinander verbunden sind. Die Enden der beiden Elemente 916a, 916b an einer Seite des Schwenkmechanismus sind an den beiden Enden eines Resonators 910 befestigt. Die beiden Enden der beiden Elemente an der anderen Seite des Schwenkmechanismus sind an einem Temperaturkompensationselement 920 und einem magnetostriktiven Element 922 befestigt, wo die beiden Elemente in Reihe geschaltet sind. Das Element 922 ändert seine Länge in Erwiderung auf ein (nicht gezeigtes) Magnetfeld, wodurch die Enden der Elemente 916a, 916b dazu veranlaßt werden, sich näher aufeinander zu oder weiter voneinander weg zu bewegen. Diese Bewegung veranlaßt das Anlegen einer Kraft an den Resonator 910 durch das Gelenk 918, wodurch seine Resonanzfrequenz geändert wird. Die Ausführungsform von Fig. 19 ist aus unterschiedlichen Gründen vorteilhaft. Die Größe der an den Resonator 910 durch das Element 922 angelegten Kraft kann durch Wählen des Orts des Gelenks 918 eingestellt werden. Da das Element 922 vom Resonator 910 beabstandet ist, ist es möglich, den Resonator 910 von dem Magnetfeld abzuschirmen (923). Da die Längenänderung des Elements 922 den Resonator 910 lediglich über die Arme 916a, 916b und das Gelenk 918 beeinflußt, wird der Resonator 910 nicht dazu veranlaßt, sich durch die Längenänderung des Elements 922 zu biegen oder zur Seite hin zu verdrehen. Auf diese Weise stellt das Gelenk 918 sicher, daß die an den Resonator 910 angelegte Kraft auf eine Kraft in Längsrichtung des Resonators beschränkt wird. Der Meßwandler von Fig. 19 kann auch zur Strommessung in der Konfiguration von Fig. 18A verwendet werden, indem der Meßwandler 880 und die Anordnung 882 durch den Meßwandler von Fig. 19A ersetzt werden. Wenn das magnetostriktive Element 922 durch ein piezoelektrisches Element ersetzt wird, kann der Meßwandler von Fig. 19 zum Messen von Spannungsdifferenzen verwendet werden.
Durch die Wahl der Anordnung des Gelenks 918 kann der Betriebsbereich des Meßwandlers verändert werden. Ferner kann die Masse der Hebelarme 916a, 916b um das Gelenk herum ausbalanciert werden, um die Empfindlichkeit des Meßwandlers gegenüber einer linearen Beschleunigung und einer Drehbeschleunigung zu vermindern. Die Hebelarmstruktur 912 kann aus einem einzigen Stück eines hochfesten Metalls, Quarz, Glas-Keramik oder keramischem Material bestehen.
Fig. 20 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Gelenk- /Hebelarm-Meßwandlers, der ein Paar elektrisch leitfähiger Kondensatorplatten zum Belasten des optischen Kraftresonators zur Messung einer Spannungsdifferenz umfaßt, die an den Kondensatorplatten anliegt. Die mit einem Gelenk versehene Hebelarmstruktur 932 ist ähnlich der Struktur 912 von Fig. 19, mit der Ausnahme, daß anstelle eines magnetostriktiven Elements 922 und eines Temperaturkompensationselements 920 zwei Kondensatorplatten 934, 936 an den beiden Enden der Hebelarme oder -elemente 916a, 916b befestigt sind. Falls erwünscht, können die Enden der beiden Hebelarme benachbart zu den Kondensatorplatten rechteckige, in Fig. 20 gezeigte, Abschnitte umfassen, um den Spalt 938 zwischen den Kondensatorplatten zu vermindern. Der Spalt 938 kann mit Luft oder einem anderen elektrisch isolierenden und federnden dielektrischen Material gefüllt sein. Wenn ein steifes dielektrisches Material verwendet und mit den beiden Kondensatorplatten verbunden wird, wird der Betriebsbereich des Meßwandlers erweitert, weil die Beanspruchung eines derartigen Materials einen Teil der anziehenden oder abstoßenden Kraft quer über die Kondensatorplatten ausgleicht, wodurch die Kraft an dem Resonator vermindert wird. Wenn jedoch ein derartiges steifes dielektrisches Material verwendet wird, kann eine Temperaturkompensation der Art erforderlich sein, daß ein Temperaturkompensationsmaterialblock über der Platte 934 und/oder unter der Platte 936, ähnlich wie dies in Fig. 19 gezeigt und in der zugehörigen Beschreibung beschrieben ist, angeordnet wird.
In Bezug auf die vorstehenden Figuren 18A, 18B wird ein Strom mittels des magnetischen Felds erfaßt, das in den beiden Schleifen 900, 902 eines endlosen elektrischen Drahts 898 erzeugt wird. Andere Verfahren und Techniken zum Erfassen und Messen von Strom sind in Bezug auf die Figuren 21, 22 dargestellt. Wie in Fig. 21 gezeigt, wird ein Strom durch einen Leiter 940 geschickt, der in Fig. 21 im Querschnitt dargestellt ist. Vier optische Meßwandler eines beliebigen der in den Figuren 17A bis 19 gezeigten Typen werden verwendet. Wie in Fig. 21 gezeigt, sind also vier Meßwandler 942, 944, 946 und 948 an Orten radial um den Leiter 940 herum angeordnet. Die durch die vier Meßwandler gemessenen Magnetfelder werden daraufhin gemittelt, um eine genauere Strommessung zu erhalten. Alternativ ist, wie in Fig. 22 gezeigt, ein einen Strom 954 führender Leiter 952 nahezu vollständig von einem toriod-förmigen Magnetkern 950 mit Ausnahme eines Spalts umgeben. Das Magnetfeld zwischen dem Spalt mittelt, wie durch Feldlinien 956 dargestellt, das den Leiter 952 umgebende Magnetfeld. Ein optischer Resonanzmeßwandler 958 wird in dem Spalt zum Messen des magnetischen Felds in dem Spalt angeordnet. Diese Messung zeigt dann genau den Strom 954 an.
Die Erfindung ist insbesondere zum Messen von Strom in Hochspannungsübertragungsleitungen von Vorteil. Die kombinierte Wirkung des hohen Q des Resonators bei dieser Anwendung und der mit modernen Frequenzzähltechniken zum Messen des modu-lierten Lichtsignals realisierbaren hohen Frequenzauflösung, erlaubt es, den Strom mit hoher Auflösung zu messen. Kurzschlüsse können einen hohen transienten Strom an den Hochspannungsübertragungsleitungen verursachen, der Überlastungsbedingungen verursacht. Da das in den Meßwandlern der Figuren 17A bis 22 verwendete magnetostriktive Material in die Sättigung kommt, werden magnetostriktives Material verwendende Resonatoren nicht überlastet. Wenn mit anderen Worten das in den Resonatoren verwendete magnetostriktive Material an einem Punkt in die Sättigung kommt, an dem die Verformung noch unterhalb der Bruchverformung ist, wird der Resonator nicht überlastet. Wenn das magnetostriktive Material bei einer Verformung nahe der Bruchverformung in die Sättigung kommt, kann die Änderung der Abmessung des Materials unerwünscht nichtlinear zur Änderung des Magnetfelds erfolgen. Aus diesem Grund kann es erwünscht sein, ein magnetostriktives Material zu wählen, das lediglich bei etwa bis zu 80% der Bruchbelastung in die Sättigung kommt.
Die Erfindung ist in ähnlicher Weise besonders vorteilhaft zum Messen hoher Spannungen in Hochspannungsübertragungsleitungen. Die Spannung kann wiederum mit hoher Auflösung gemessen werden, und das verwendete piezoelektrische Material kommt bei Hochspannungsbedingungen in die Sättigung, wodurch eine Überlastung des Resonators verhindert wird. Solange deshalb das piezoelektrische Material bei einer Verformung in die Sättigung kommt, die unterhalb der Bruchverformung ist, wird der Resonator unter Hochspannungsbedingungen nicht überlastet. Aus ähnlichen Gründen wie bei magnetostriktives Material verwendenden Resonatoren ist es wünschenswert, Resonatoren mit piezoelektrischem Material zu verwenden, das bei einer Verformung in die Sättigung kommt, die in etwa 80% der Bruchverformung oder weniger beträgt.
Die Ansprechgeschwindigkeit des Meßwandlers ist ausschließlich durch die Zeitverzögerung begrenzt, die für die Abmessungsänderung des Resonators erforderlich ist, die in einem Bruchteil eines Zyklus erfolgen kann. Aus diesem Grund ist die Ansprechgeschwindigkeit nicht durch die Frequenz (40.000 Hz) begrenzt, die für die hier beschriebenen Resonatoren typisch ist, sondern von der Fähigkeit der überwachenden Elektronik, eine Änderung der erwarteten Flanke bzw. Neigung des (durch die Resonanz des Resonators) modulierten Lichtsignals innerhalb jedes Zyklus zu erfassen. Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Vorteile finden die Meßwandler dieser Anmeldung Anwendung beim Überwachen von Hochspannungsstromtransformatoren und in Übertragungsstrecken.
Die vorstehende Beschreibung des Verfahrens und der Konstruktion ist rein illustrativ. Verschiedene Änderungen der Materialkombinationen, -formen und -größen werden vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche umfaßt.

Claims

1. Meßwandler zur Erfassung eines Parameters, umfassend:

einen Resonator (24, 102, 150, 180, 258, 260, 306, 372, 400, 420, 422, 450, 452, 500, 540, 810, 860, 880, 910, 930) der in der Lage ist, bei einer Resonanzfrequenz mechanisch zu schwingen,

eine Einrichtung (52, 54, 86, 88, 90, 92, 100, 106, 120, 122, 124, 138, 172, 174, 176, 228, 230, 232, 234, 274, 276, 278, 360, 466, 518, 546, 832, 834) zum Treiben des Resonators; und

eine Einrichtung (16, 18, 22, 60, 64, 66, 68, 76, 80, 100, 106, 128, 130, 132, 134, 138, 196, 224, 252, 256, 310, 352, 354, 432, 434, 462, 464, 502, 820, 830) zum optischen Erfassen von Modulationen der Resonanzfrequenz des Resonators;

dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter ein magnetisches Feld, eine elektrisches Feld, ein Strom oder eine Spannung ist, und daß der Meßwandler ferner einen mit dem Resonator verbundenen Körper (862, 864, 862", 886, 888, 890, 892, 916a, 916b, 920, 922, 934, 936) aufweist, welcher derart ist, daß, wenn der Körper dem magnetischen Feld, dem elektrischen Feld, dem Strom oder der Spannung ausgesetzt wird, er auf den Resonator eine Kraft ausübt und dadurch die Resonanzfrequenz des Resonators moduliert.

2. Meßwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Treibereinrichtung lichtgespeist ist.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator Licht überträgt, absorbiert oder reflektiert und das die Erfassungseinrichtung umfaßt:

eine Einrichtung (16, 18, 22, 100, 106, 128, 138, 196, 252, 256, 310, 352, 354, 432, 462, 464, 502, 820) zur Lieferung von Licht an den Resonator, so daß das gelieferte Licht durch den Resonator übertragen oder reflektiert wird, und so, daß die Schwingungen des Resonantors auch das von dem Resonator übertragene oder reflektierte Licht modulieren,

wobei die Erfassungseinrichtung die Modulationen der Intensität des durch den Resonator übertragenen oder reflektierten Lichts erfaßt.

4. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper und seine Verbindung mit dem Resonator derart sind, daß der Körper auf den Resonator eine Kraft im wesentlichen nur längs einer einzigen Wirkungslinie ausübt, wenn der Körper dem physikalischen Parameter ausgesetzt wird.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator zwei Enden aufweist und der Körper umfaßt:

zwei Kopplungsglieder (864, 886, 888, 916a, 916b), die je an einem Ende des Resonators angebracht sind.

6. Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ferner eine Einrichtung (862, 862", 890, 892, 918, 920, 922,) umfaßt, die die beiden Kopplungsglieder verbindet und Achse aufweist, wobei sich die Verbindungseinrichtung längs der Achse in ihrer Dimension ändert, wenn sie dem Parameter ausgesetzt wird, wobei die Kopplungsglieder auf den Resonator eine Kraft im wesentlichen nur längs der Achse ausüben, wenn der Körper dem Parameter ausgesetzt wird.

7. Meßwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Element (890, 920) aufweist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient derart ist, daß die thermische Ausdehnung des Körpers an die des Resonators angepaßt ist oder die des Resonators kompensiert.

8. Meßwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kopplungsglieder zwei Endkappen sind.

9. Meßwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung ein Element (862, 862", 892, 922) umfaßt, daß sich längs der Achse ausdehnt oder zusammenzieht, wenn es dem Parameter ausgesetzt wird, und dadurch verursacht, daß die Kopplungseinrichtung auf den Resonator eine Kraft ausübt, wenn der Körper dem Parameter ausgesetzt wird.

10. Meßwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kopplungsglieder einen ersten und einen zweiten Hebel (916a, 916b) umfassen und daß die Verbindungseinrichtung eine Einrichtung (918) zum Verbinden der Hebel an ihren Drehpunkten ist derart, daß, wenn der Körper dem Parameter ausgesetzt wird, die beiden Hebel eine mechanisch verstärkte oder verringerte Kraft auf den Resonator ausüben.

11. Meßwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Körper dem Parameter ausgesetzt wird, sich die beiden Hebel relativ zueinander bewegen, um eine Kraft auf den Resonator auszuüben.

12. Meßwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ferner wenigstens ein auf den Parameter ansprechendes Element (922, 934, 936) umfaßt, das mit wenigstens einem der beiden Hebel verbunden ist derart, daß, wenn der Parameter über das wenigstens eine Element angelegt wird, die beiden Hebel eine Kraft auf den Resonator ausüben.

13. Meßwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zwei Elemente (934, 936), die auf den Parameter ansprechen, umfaßt, von denen jedes mit einem der Hebel verbunden ist, und daß, wenn der Parameter über die beiden Elemente angelegt wird, die beiden Elemente weiter auseinander oder enger zusammen gedrängt werden und bewirken, daß die beiden Hebel sich relativ zueinander um ihre Drehpunkte bewegen, um eine Kraft auf den Resonator auszuüben.

14. Meßwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter eine Spannung ist und daß die beiden elektromagnetischen Elemente (934, 936) zwei kapazitive Platten sind.

15. Meßwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter ein magnetisches oder ein elektrisches Feld ist, wobei, wenn das Element (922) in einem magnetischen oder einem elektrischen Feld angeordnet wird, es sich ausdehnt oder zusammenzieht und verursacht, daß die beiden Hebel eine Kraft auf den Resonator ausüben.

16. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter ein magnetisches oder ein elektrisches Feld ist, und das der Körper ein Element (862, 862", 892, 922) umfaßt, das auf das magnetische oder elektrische Feld anspricht derart, daß, wenn der Körper in ein magnetisches oder elektrisches Feld gebracht wird, er sich in seiner Abmessung ändert.

17. Meßwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Element magnetostriktiv oder piezoelektrisch ist.

18. Meßwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive oder piezoelektrische Element als Reaktion auf zunehmende magnetische oder elektrische Felder in die Sättigung gelangt, wenn die Spannung im Resonator noch unter seiner Bruchspannung ist, so daß der Resonator nicht überlastet wird, wenn der Körper großen magnetischen oder elektrischen Feldern ausgesetzt wird.

19. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter ein Strom ist, daß der Meßwandler ferner eine Einrichtung (896, 898, 902, 940, 950, 952) umfaßt, die auf den Strom anspricht und ein magnetisches Feld als Funktion des Stroms liefert, und daß der Körper ein Element (862, 862", 892, 922) umfaßt, das auf das magnetische Feld anspricht, so daß, wenn der Körper in das magnetische Feld gebracht wird, er sich in seiner Abmessung ändert.

20. Meßwandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von einem primären elektrischen Leiter (896) geführt wird und daß die das magnetische Feld liefernde Einrichtung einen durchgehenden sekundären elektrischen Leiter (898) umfaßt, der eine oder mehrere Windungen neben dem primären Leiter und eine oder mehrere Windungen von dem Leiter entfernt bildet, um daß magnetische Feld zu liefern, dem der Körper ausgesetzt wird und das dem Strom proportional ist.

21. Meßwandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von einem Leiter (954) geführt wird und daß die das Magnetfeld liefernde Einrichtung einen magnetisierbaren Kern (950) umfaßt, der den Leiter mit Ausnahme eines Spalts umgibt, so daß der Körper dem Magnetfeld im Spalt ausgesetzt wird.

22. Meßwandler nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Einrichtung (903) zur Abschirmung des Resonantors und des Körper von irgendwelchen elektromagnetischen Störungen aufweist.

23. Meßwandler nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Einrichtung (923) zur Abschirmung des Resonantors, aber nicht des Körpers gegenüber dem physikalischen Parameter aufweist.