DE9006490U1 - Anordnung zur Ermittlung der tatsächlichen optischen Weglänge von Licht in einem Lichtleiter - Google Patents

Anordnung zur Ermittlung der tatsächlichen optischen Weglänge von Licht in einem Lichtleiter

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Description

Or. Rainer Ca.Jorff, Sir ^ckstraße 14, 2000 Hamburg 55
Anordnung zur Ermittlung der tatsächlichen optischen
Weglänge von Licht in einem Lichtleiter
Beschreibung
Die Neuerung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen Ermittlung der tatsächlichen optischen Weglänge von Licht in einem Lichtleiter vorbestimmter Länge.
In vielen Bereichen der technisch-industriellen Fertigung werden kräftemäßig hochbelastete Strukturen in zunehmendem MaP° anstatt aus bisher verwendetem Metall oder Metallegierungen aus Verbundwerkstoffen eingestellt, die als Vorteil gegenüber der bisherigen Werk-Stoffwahl eine erhebliche Gewichtsverminderung bei wenigstens gleicher, wenn nicht gar größerer Festigkeit aufweisen. Verbundwerkstoffe dieser Art werden beispielsweise 1n der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, beispielsweise bei Tragflächen-, sowie Höhen- und
Seitenleitwerken von Flugzeugen. Bei extremer Belastung dieser Verbundwerkstoffe in den voran beschriebenen Anwendungsgebieten kann es durch systembedingte Überlast aber auch durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch Jas Auftreffen von Gegenständen wie Steinen und dgl. auf die aus Verbundwerkstoff abgestellte Struktur dazu kommen, daß der Verbundwerkstoff bis zum Bruch beschädigt wird, ohne daß die Bruchstellen von außen sichtbar sind und ohne daß herkömmliche radiografische Methoden bei diesen Verbundwerkstoffen den Bruch erkenne.
Es sind zur Erkennung dieses Mangels in derartigen aus Verbundwerkstoff bestehenden Strukturen Lichtleiterfasern integriert worden, wobei mittels aufwendiger digital-elektronischer Methoden die Laufzeit von digitalen optischen Signalen im Lichtleiter ermittelt und aus der Laufzeit die effektive Länge des Lichtleiters, die sich bei einem Lichtleiterbruch entsprechend einer Beschädigung des Verbundwerkstoffs verkürzt, berechnet wurde. Diese bekannte Methode erwies sich jedoch aber selbst bei Laboruntersuchungen als apparativ zu aufwendig, ungenau im Ergebnis und nicht übertragbar auf den unmittelbaren Einsatz im Flugzeug, beispielsweise zur kontinuierlichen Überwachung des Verbundwerkstoffes schlechthi &eegr;.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine Anordnung zu schaffen, mit der auf hochgenauc, kontinuierliche Weise der tatsächliche optische Weg von Licht in einem Lichtleiter vorbestimmter Länge ermittelt werden kann, wobei die Anordnung einfach realisierbar sein soll, so daß sie sich unmittelbar zum Einsatz am Ort des Verbundwerkstoffes eignet.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Neuerung dadurch, daß eiri Oszillator mit der Lichtquelle verbunden ist, der auf diese ein sinusförmiges Modulationssignal U liefert, daß amplitudenmoduliertes Licht nach seiner Reflexion am Lichtleiterende über die als Strahlteiler ausgebildete optische Einrichtung auf eine Photodiode und von dort als Photodiodensignal U. auf eine Mischeinrichtung zusammen mit dem Modul ati onss ign-j 1 U geleitet wird, wobei das am Ausgang liegende Ausgangssignal U (Phi) der Mischeinrichtung proportional zur optischen Wegiänge i«t Lichtleiter ist.
Der Vorteil der neuerungsgemäßen Anordnung zeigt sich in einem verhältnismäßig einfacher und damit kostengünstig realisierbaren Aufbau, wobei für die einzelnen Teile wie Oszillator, Lichtquelle, Lichtleiter, Mischer und dgl. elektro-optische Standardbauteile verwendet werden können, die kostengünstig bereitstel1 bar sind. Da alle diese Teile auch verhältnismäßig leicht sind, ist es ohne weiteres möglich, eine Vielzahl derartiger Anordnungen jeweils zur Überwachung eines Lichtleiters
•ir» s4 &agr; m tu i'iKAii*ut3rKan/1nn Uov^KiinWuai^UrtAff K &tgr; *-j /Jam ^awaiir
hergestellten Struktur unterzubringen. Es ist darüber hinaus auch möglich, alle vorgenannten Einzelteile oder Teile davon monolitisch nach Art eines dafür konzipierten integrierten Bausteins herzustellen. Gerade wegen der in vielen Anwendungsbereichen extremen Temperaturstabilitätsforderung mit voller Funktion in einem Temperaturbereich von - 50* bis + iOO* C eignet sich die Herstellung der Anordnung in Form eines monolitischen Bausteins h^^onders.
Um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal bzw. Meßsignal in einem Phasenbereich von ± &pgr;/4 um die O-Phase herum näherungsweise proportional zur Phasendifferenz
Phi und damit proportional zur optischen Weglänge der Lichtleiterfaser ist, wird das Modulationssignal U vor Eintritt in die Mischeinrichtung über eine Phasenschiebereinrichtung geleitet und geeignet eingestellt. Ein Anteil des amplitudenmodullerten Lichts wird vorteilhafterweise üb«?r den Strahlteiler ausgekoppelt und über eine zweite Photodiode geführt, wobei dieses als Referenzsignal U'j der Mischeinrichtung zugeführt wird.
Um zu einer einfacher auswertbaren Beziehung des die Mi sehe i nri ■■ htung verlassenden Ausgangs bzw. Meßsignals U (Phi) zu kommen, wird das Ausgangssignal der Mischeinrichtung über ein Tiefpaßfilter geführt und anschließend vorteilhafterweise durch das von der Photodiode kommende Photodiodensignal U. in einer analogen Divisionseinrichtung dividiert, d. h. der zeitabhängige Teil des die Mischeinrichtung verlassenden Ausgangs bzw. Meßsignals kann durch die Verwendung des Tiefpaßfilters unterdrückt werden, während die Abhängigkeit des verbleibenden Signals von der mittleren Intensität des Lichtes durch anschließende analoge Division durch das Photodiodensi-
U. unterdrückt werden kann
Grundsätzlich kann eine beliebige geeignete Mischeinrichtung vorgesehen werden, es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, die Mischeinrichtung durch einen Ringmischer zu bilden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung wird das Ausgangssignal U (PhI) und das Modulationssignal Um vorbestimmter Frequenz auf eine Rechnereinrichtung gegeben, wobei der Oszillator als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildet ist und die j Modulationsfrequenz, ausgehend von einem vorbestimmten j Minimalwert, von Meßschritt zu Meßschritt erhöht wird.
Bei rechnergesteuerter Verstimmung der Modulationsfrequenz zu höheren Frequenzen hin ergibt sich eine hohe Auflösung der effektiv ermittelten Lichtleiterlänge entsprechend der Frequenz, bei der die Phasendifferenz zwischen dem Modul at.ionssigna 1 U und dem Photodiodensignal U. zu Null geht.
Die Neuerung wird nun unter Bezugnahme auf die nach-
&igr; \/ r &mgr; c &Ggr;&igr; u c 11 jviicfiia l· &igr; j\.ncii lc &igr; utiiiuii^cii aititatiu inciii et ei
Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben. Darin ze' gen:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer neuerungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung von Fig. 1 geringfügig modifizierte Anordnung,
Fig. 3 eine Ausführungsform der Anordnung, bei der der Oszillator als spannungsgesteuerter Oszillator von einem Rechner gesteuert wird, und
Fig. 4 eine aufgetragene Beziehung der Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal U und dem Photodiodensignal IK gegen die Modulationsfrequenz des Oszillators bei einer beispielhaften Lichtleiterlänge von 10 und 11 m.
Die Anordnung 10 besteht im wesentlichen aus einem Lichtleiter 11, der hier entgegen seiner ursprünglichen Gesamtlänge durch die Unterbrechung symbolisch als gebrochener Lichtleiter 11 dargestellt wird. Demzufolge stellt das Ende des einen Abschnitt des Lichtleiters 11 das Lichtleiterende 16 dar, das als Lichtreflexionsende wirkt. Die Anordnung 10 umfaßt darüber hinaus eine
Lichtquelle 12, die monochromatisches Licht, beispielsweise monochromatisches Laserlicht, auf einen optischen Isolator 13 und von dort auf eine als Strahltpiler 17 ausgebildete optische Einrichtung gibt, über die das monochromatische Licht 14 in den Lichtleiter gegeben wi rd .
Ein Oszillator 15, der mit der Lichtquelle 12 verbunden
■ict &ogr; r7 onnt ein -iniicfrirmino«: Hnrfiilat innccinnal 11 mit , _. 3 . .... .- a__ . 3 _m -
dem das in der Lichtquelle 12 erzeugte monochromatische Licht amplitudenmoduliert wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung der Anordnung 10 wird das sinusförmige Modulationssignal U auf eine Phasenschieberei nri chtung 23 gegeben und von dort auf den Mischereingang 20 einer als Ringmischer ausgebildeten Mischeinrichtung 19. Das am das Bruchende symbolisierenden Lichtleiterende 16 reflektierte Licht gelangt wiederum auf den Strahlteiler 17, von dem es auf eine erste Photodiode 18 gegeben wird und dort als entsprechendes elektrisches Photodiodensignal U. auf den zweiten Mischereingang 21. Der Mischerausgang 22> an dem das Meß- bzw. Ausgangssignal zur Herleitung der tatsächlichen optischen Weglänge des Lichts 14 im Lichtleiter 11 austritt, wird über ein Tiefpaßfilter 25 geführt und von dort auf eine Divisionseinrichtung 24, in der das das Tiefpaßfilter 25 verlassende Signal durch das von der ersten Photodiode 18 kommende Phctodir'Honsignal U. dividiert wird. Am Ausgang der Divisionseinrichtung 26 liegt dann das endgültige aufbereitete Meßsignal U (Phi), wobei Phi die Phasendifferenz zwischen dem ersten Photodiodensignal U. und dem Modulationssignal U ist. Die vorangehend beschriebene Anordnung 10 entspricht der in Fig. 1 dargestellten.
Die Anordnung 10 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, daß das Modulationssignal U nicht unmittelbar dem Oszillator 15 direkt entnommen wird. Vielmehr wird ein Anteil des amplitudenmodulierten Lichts 14 Ober den Strahlteiler 17 ausgekoppelt und über eine zweite Photodiode 19 als Referenz- bzw. Modulationssignal U' . der Mischereinrichtung 19 zugeführt.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung 10 entspricht dem Grundaufbau der in Fig. 2 dargestellten Anordnung 10, jedoch mit dem Unterschied bzw. der Erweiterung, daß der Oszillator 15, anders als bei der Anordnung gemäß Fig. 1 und 2, ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO
Voltage Controlled Oszillator) ist. Das vom spannungsgesteuerten Oszillator 15 erzeugte Modulationssignal U
wird nicht nur zur Lichtquelle 12 sondern ebenfalls auf eine Rechnerei nrichtung 27 gegeben. Die Rechnereinrichtung 27 selbst liefert eine Spannung, mit der der spannungsgesteuerte Oszillator 15 beaufschlagt wird. In Abhängigkeit der Variation der Spannung, gesteuert vor der Rechnereinrichtung 27, wird die Frequenz des Modulationssignal Um variiert. Der Ausgang der Divisionseinrichtung 26, an dem das endgültige Meß- bzw. Ausgangssignal U (Phi) der Anordnung 10 Hegt, wird ebenfalls auf die Rechnereinrichtung 27 geführt.
Der typische Verfahrensablauf bei den vorangehend beschriebenen Anordnungen 10 wird nachfolgend beschrieben. In der Lichtquelle 12 wird monochromatisches Licht erzeugt, dessen Kohärenzlänge klein gegenüber der Länge des auszumessenden Lichtleiters 11 sein muß, um optische Interferenzen zu vermeiden. Die Lichtquelle 12 wird beispielsweise durch eine Breitband-Laserdiode gebildet. Das von der Lichtquelle 12 erzeugte Licht wird 1n bezug auf seine Intensität mittels des Modulat1onss1gnal U„
11
des Oszillators 15 mit einer Modulationsfrequenz n_
IM
moduliert.
Das in bezug auf seine Intensität somit amplitudenmodulierte Licht 14 wird über den optischen Isolator 13 und über den Strahiteiler 17 in den Lichtleiter II c-ingekoppelt. Das am Lichtleiterende 16 reflektierte Licht wird über den Strahl teller 17 auf die erstt Phctodio^g 18 gegeben, wobei das Photodiodensignal U^ im Ring- *iis ie** 19 mit dem sinusförmigen Modulaticnssi3. al U , nachdem es zuvor über einen Phasenschieber 23 geleitet wurde, gemischt. Das Ph~^odiodensignal Ud kann evtl. vor Eintritt in den Ringmischer 19 verstärkt werden. Für das Ausgangssignal des Ringmischers 19 ergibt sich dann folgender physikalischer Zusammenhang:
UM " UmUd* [sin *nm2t + n c + phi^ + sint"n £-&Rgr;&Mgr;)]»
c - Gruppengeschwindigkeit
Das Ausgangssignal des Ringmischers 19, das prinzipiell schon das eigentliche Meßsignal darstellt, w*rd durch die Nachschaltung des Tiefpaßfilters 25 und die Divisionseinrichtung 26 derart aufbereitet, daß der zeitabhängige Teil der voranstehenden Gleichung und die Abhängigkeit des verbleibenden Signals von der mittleren Intensität des Lichts unterdrückt wird, so daß für das eigentliche Meßsignal U (Ph1) ergibt:
U(Phi) - *üms1n(Phi) « sin ( ^- x-ph1-n/2)
Phi stellt die Phasendifferenz des Modulationssignal Um und des Diodensignals U. dar. phi 1st die durch die Phasenschiebereinrichtung eingestellte Modul a. Jonsphase, &khgr; , die vom Licht 14 1m Lichtleiter 11 zurückgelegte
Wegstrecke, lambda entspricht der Modulationswellenlänge. Bei dieser Betrachtung wurde der Einfachheit wegen die in der Einkoppeloptik und Nachweisoptik zurückgelegte Wegstrecke nicht berücksichtigt.
Das so gewonnene Meßsignal ist in einem Phcservtcreich ± &pgr;/4 um die Kit der Phasenschiebereinrichtung 23 einstellbare O-Phase herum näherungsweise propotional zur Phasendifferenz Phi und damit proportional :ur optischen Wecdänge des Lichtleiters 11.
Soll bfiispielsweiii. Hn ' ichtleit-p^ 11 ^it einer Länge von 20 m verc ssen werd*1". so ergibt sich eine optische weglänge von &khgr; = 40 m und damit p.,ie benötigte maximale Moaulationsfrequenz von { * 2x)f.. 3.7MHz (mit c
3.10 m/ s). Bei einer Phasenwinkelautlösung von 1* ergibt sich somit eine Wegstreckenauflösung von 20 cm. Soll bei gleicher Länge des Lichtleiters 11 und gleicher Phasenauflösung die räumliche Auflösung vergrößert werden, so muß ein zweiter Meßvorgang mit der halben Modulationswellenlänge und damit der doppelten Modulationsfrequenz durchgeführt werden. Um unkontrollierte Phasenverschiebungen zu vermeiden, wie sie in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz in der Lichtquelle 12 auftreten können, kann 1n diesem Fall das als Referenzsignal benötigte Modulationssignal Um durch die zweite Photodiode 24, wie sie in F1g. 2 ersichtlich ist, als Referenzsignal U'j gewonnen werden.
Der vorangehend beschriebene Verfahrensablauf entspricht bis zu diesem Punkt auch dem gemäß der Anordnung 10 von Flg. 3. Das am Ausgang der Divisionseinrichtung 26 liegende Meß- bzw. Phasfendifferenzsignal
U(Phi) sin ( ^x-phi )
wird in die Rechnereinrichtung 27 gegeben. Die Ausgangssignale des Oszillators 15 wird ebenfalls in die Recheneinrichtung 27 geleitet. Die momentane Oszillatorfrequenz des Oszillators 15 wird durch einen hier nicht gesondert dargestellten Frequenzzähler hoher Genauigkeit (SsruuigkeIi 3 . 2P ' bestimmt und ebenfalls auf die Rechnereinrichtung Ii gegeben.
Für einen LängenmeBvorgang wird die Modulationsfrtquenz n„ auf einen Minimalwert gesetzt und dann schrittweise
erhöht. Beim Verstimmen der Modulationsfrequenz zu höheren Frequenzen hin erhält man das in Fig. 4 dargestellte Signal. Dort ist die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal U und dem ersten Photodiodensi -
Hl
gnal U. gegen die Modulationsfrequenz &eegr; bei einer Länge des Lichtleiters 11 von 10 m und 11 m aufgetragen. Die Länge des Lichtleiters 11 entsprechend &khgr; ergibt sich aus der Frequenz f, bei der die Phasendifferenz verschwindet, d. h. Phi-O, zu
IL_c
2 f
&eegr; entspricht der Ordnung der Phasendurchgänge, die ebenfalls aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Aufnahme der Meßwerte sowie die Berechnung der optischen Weglänge des Lichts 14 im Lichtleiter 11 erfolgt in der Recheneinrichtung 27 und kann nach jedem Meßzyklus auf geeignete Weise zur Anzeige gebracht werden.
14 Bezuqszeicheniiste
10 Anordnung
11 Lichtleiter
12 Lichtquelle
13 optischer Isolator
14 Licht
15 Oszillator
16 Lichtleiterende
17 Strahlteiler
18 erste Photodiode
19 Mi scheinrichtung
20 Mischereingang
21 - " -
22 Mischerausgang
23 Phasenschiebereinrichtung
24 zweite Photodiode
25 Tiefpaßfilter
26 Divisionseinrichtung
27 Rechnereinrichtung

Claims (7)

Dr. Rainer Casdorff, Simrockstraße 14, 2000 Hamburg 55 Anordnung zur Ermittlung der tatsächlichen optischen Weglänge von Licht in einem Lichtleiter Schutzansprüche
1. Anordnung zur kontinuierlichen Ermittlung der tatsächlichen optischen Weglänge von Licht in einem Lichtleiter vorbestimmter Länge, umfassend eine Lichtquelle sowie eine optische Einrichtung zum Einkoppeln des von der Lichtquelle erzeugten Lichts in den Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (15), der mit der Lichtquelle (12) verbunden ist, auf diese ein sinusförmigen Modulationssignal U liefert, daß das amplitudenmodulierte Licht (14) nach seiner Reflexion am Lichtleiterende (16) über die als Strahlteiler (17) ausgebildete optische Einrichtung auf eine Photodiode (18) und von dort als Photodiodensignal U. auf eine Mischeinrichtung (19) zusammen mit dem Modulationssignal U geleitet wird, wobei das am Ausgang (22) liegende
Ausgangssignal U (Phi) der Mischeinrichtung (19)
• ■ ·
proportional zur optischen Weglänge im Lichtleiter (11) ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal U vor Eintritt in die Mischeinrichtung (20) über eint Phasenschiebereinrichtung (23) geleitet wird.
3. Anordnung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des amplitudenmodulierten Lichts (14) über den Strahlteiler (17) ausgekoppelt und über eine zweite Photodiode (24) geführt als Modulationssignal U'^ der Mischeinrichtung (19) zugeführt wird.
4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal U (Phi) der Mischeinrichtung (19) über einen Tiefpaßfilter (25) geführt wird.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal U (Phi) Csr Mischeinrichtung (19) durch das von der Photodiode (18) kommende Photodiodensignal U. in einer analogen Divisionseinrichtung (26) dividiert wird.
6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (19) durch einen Ringmischer gebildet wird.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus ,angssignal U (Phi) und das Modulationssignal U vorbestimmter Frequenz auf eine Rechnereinrichtung (27) gegeben werden, wobei der Oszillator (15) als spannungsgesteuerter
Oszillator ausgebildet ist und die Modulationsfrequenz, ausgehend von einem vorbestimmten Minimalwe/t, von Meßschritt zu Meßschritt erhöht wird.
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