SE510449C2 - Fiberoptiskt system för tryckmätning med kompensering för transmissionsförluster och temperaturvariationer - Google Patents

Description

510 449 l fluorescensljusets väglängdsområde medan det våglängdsområde som utsänds från ljuskållan 1 blockeras. Systemet enligt uppfinningen har också den egenskapen att det registrerar den s k optiska tidskonstanten för fluorescensljuset. Denna tidskonstant är en materialparameter som för vissa material har ett entydigt och reproducerbart temperaturberoende.

Genom att registrera tidskonstanten mäts alltså sensortemperaturen, vilket kan utnyttjas för kompensering av eventuella temperaturberoenden i sensorns överföringsfunktion. Den optiska tidskonstanten manifesterar sig som en tidsfördröjning hos fluorescensljuset vid pulsad drift av ljuskâllan 1 eller en fasvridning vid drivning med en periodisk vågform.

Mer detaljerat kan trycksensorelementet 3 i en föredragen utförandeform uppbyggas av två planparallella plattor 8, 9, vilka år utformade så att ett planparallellt hålrum 10 uppstår mellan två av dess parallella ytor.

Därvid uppstår en s k Fabry-Perot-kavitet, vilken enligt kända lagar uppvisar en våglängdsberoende reflektans som också är beroende av plattavståendet. En av plattorna kan därvid utformas som ett tryckmembran vars elastiska utböjning vid applicerat ger en variation av reflektansen. Vid korrekt dimensionering är reflektansen en monoton, ofta approximativt linjär, funktion av applicerat tryck inom ett önskat tryckintervall. I vissa utförandeformer kan det vara en fördel att placera en positiv lins mellan plattorna 8, 9 och ändytan av fibern 2 på så sätt att fiberändytan befinner sig i fokalplanet. Då blir strålknippet parallellt med vinkelrätt infall mot plattorna 8, 9. Efter reflexion fokuseras strålknippet tillbaka mot fiberns 2 ändyta.

Plattan 8 utgöres företrädesvis av kisel, som kan bearbetas genom etsning till önskad tjocklek. Plattan 9 bör lämpligen vara transparent för ljus i det aktuella våglängdsområdet. Glas är därför ett lämpligt material som dessutom kan sammanfogas med kisel enligt känd teknik, s k anodisk bondning. Därvid ställs kravet att glasplattans 10 värmeutvidgning ej avviker alltför kraftigt från kisels, eftersom det i så fall uppkommer termiska spänningar. Dessa ger upphov till oönskad temperaturdrift hos sensorelementet. En viss temperaturdrift är oundviklig, t ex den orsakad av temperaturberoendet hos elasticitetsmodulen hos tryckmembranet. Håligheten 10 kan lämpligen etsas ut från kiselplattan 8. För att få optimala reflektionsegenskaper kan ytorna hos glasplattan 9 förses med tunnfilmsbelâggning enligt känd teknik.

Sensordelen 3 har företrädesvis små dimensioner, ca 1 mm3, vilket gör att mekanisk resonansfrekvens och därmed sensorns bandbredd blir mycket hög. Den teoretiska resonansfrekvensen för ett kiselmembran med 0.5 mm diameter och 25 pm tjocklek är ca 1.2 MHz. 3 510 449 Det fluorescerande materialet 4 utgöres företrädesvis av en glasplatta med indopade joner av neodym eller annan sällsynt jordartsmetall med fluorescerande egenskaper. Neodymjonen har fluorescens med hög kvantverkningsgrad i det nära infraröda våglängdsområdet, med absorption kring 740 nm, och fluorescens kring 1.06 pm. Den optiska tidskonstanten för neodymdopat fosfatglas är ca 300 ps och har en temperaturvariation av -0.05 %/°C. Den fluorescerande plattan 4 står lämpligen i termisk kontakt med plattorna 8, 9. Allra fördelaktigast vore givetvis om plattorna 4 och 9 utgjordes av en enda glasplatta, men detta ställer stora och delvis motstridiga krav på dess materialegenskaper.

Den optiska fibern 2 utgöres företrädesvis av en multimodefiber av steg- eller gradientindextyp med diameter 50-200 um. För att tåla kabelförläggning i industriell miljö måste fibern mantlas, ofta i flera skikt för att klara de dragpåkänningar, böjningar och kemiska angrepp som kan förekomma. Ofta måste fibern av praktiska skäl kunna skarvas med ett eller flera fiberoptiska kontaktdon utan att funktionen förloras. Detta kräver bl a att effektförlusterna i dessa skarvar minimeras och att reflexer undvikes, t ex genom snedslipning av skarvarnas ändytor.

Den fiberoptiska förgreningen ll kan enligt känd teknik antingen bestå av ändslipade fibrer i direktkontakt eller fibrer med ihopsvetsade kärnor.

Företrädesvis är den optiska förbindelsen mellan fibern 2 å ena sidan, och ljuskällan 1 och detektorerna 5, 6 å den andra, säkrad genom ändamålsenliga fästelement, i förkommande fall linselement enligt känd teknik.

Ljuskällan l består företrädesvis av en lysdiod eller en laserdiod med emission i ett våglängdsområde avpassat dels efter sensorelementets 3 Fabry-Perot-kavitet och det fluorescerande materialet 4. Typiskt kan emissionstoppen ligga vid 740 um med en instrålad effekt av 100-500 uW i fibern 2. Den signalnivå som når detektorn 5 är 5-30 % av detta värde, beroende på sensorelementets 3 reflektans. Signalnivån till detektorn 6 är ca tre tiopotenser lägre, främst beroende på den isotropa rumsfördelningen hos fluorescensljuset. Signalen från detektorn 6 måste därför förstärkas kraftigt i förstärkaren 19 för att uppnå acceptabel signalnivå.

Drivningen av ljuskâllan 1 kan ske på en rad olika sätt. För detektion av reflektanssignalen kan det ibland räcka att driva lysdioden 1 med en konstant ström Ic från ett strömdon 14. Detta drivsätt har fördelen att signalen från detektorn 5 kan utnyttjas med full bandbredd. I en föredragen utförandeform finns även en återkopplingsslinga som reglerar strömmen så att konstant optisk uteffekt erhålles. 510 449 Å]- Vid drivning av ljuskâllan 1 med konstant ström kan signalen härstammande från fluorescensljuset tillgodogöras bara under förutsättning att detektorn 6 och förstärkaren 19 har sådan stabilitet att inte dess drift och lågfrekvensbrus överskuggar signalen. Skulle detta vara fallet måste ljuskällan i stället drivas på ett tidsvarierande sätt, dvs antingen med korta pulser eller med en periodisk vågform från en generator 13. I en föredragen utförandeform kan manuell eller automatisk omkoppling ske mellan konstant och tidsvarierande drivning genom en omkopplare 15.

Tidsvarierande drivning av ljuskällan 1 är nödvändig för att kunna registrera den optiska tidskonstanten enligt ovan. I en föredragen utförandeform registreras tidskonstanten med en s k kvadraturdetektor 16 enligt känd teknik. Denna typ av detektor ger en utsignal som är en monoton funktion av fasvridningen mellan drivningen av ljuskällan och signalen från detektorn 6. Alternativt kan tidskonstanten registreras genom mätning av tidsfördröjningen mellan emissionsögonblicket från ljuskällan 1 och fluorescensljusets förlopp.

Från kvadraturdetektorn 16 erhålles tvâ utsignaler varav den ena är ett mått på den optiska tidskonstanten och den andra är ett mått på den totala intensiteten hos fluorescensljuset. Den senare utsignalen pâförs en kvotbildare 17 tillsammans med den från detektorn 5 härstammande signalen som får utgöra täljaren vid kvotbildningen. Dessförinnan har denna signal passerat en förstärkarkoppling 18 och ett lågpassfilter 20 vars övre gränsfrekvens tillsammans med den tidigare nämnda mekaniska resonansfrekvensen år bestämmande för mätsystemets totala bandbredd.

Från kvotbildaren 17 finns ett signaluttag 21 där följaktligen en signal finns tillgänglig som är kompenserad för effektförluster längs den fiberoptiska transmissionssträckan, eftersom sådana förluster påverkar båda signalerna som detekteras av detektorerna ,5 och 6 på ett linjärt sätt.

Vidare kan från signaluttaget 22 en utsignal erhållas som är ett mått på sensordelens temperatur, och kan ligga till grund för en automatisk eller manuell temperaturkompensering.

Den beskrivna utförandeformen och systemet enligt uppfinningen kan givetvis varieras på mångahanda sätt inom ramen för vidstående patentkrav.

Claims (9)

ö! i 510 449 PATENTKRAV

1. Fiberoptiskt system för tryckmätning med kompensering för transmissionsförluster och temperaturvariationer kännetecknat av minst en ljuskälla (1), t ex en lysdiod eller laserdiod utformad och riktad så att en avsevärd andel av emitterat ljus leds in i minst en optisk fiber (2) i vars ena ände ett trycksensorelement (3) befinner sig, vars optiska reflektans är en monoton funktion av ett applicerat hydrostatiskt tryck inom ett definierat tryckintervall minst ett fluorescerande material (4), t ex glas dopat med joner av sällsynt jordartsmetall, placerat i optisk förbindelse med nämnda optiska fiber (2), och termisk förbindelse med nämnda trycksensorelement (3), varvid den optiska tidskonstanten för nämnda fluorescens är en monoton funktion av temperaturen, minst en ljusdetektor (5) placerad i anslutning till nämnda optiska fiber (2) för detektion av från nämnda trycksensorelement (3) reflekterat ljus, minst en ljusdetektor (6) placerad i anslutning till nämnda optiska fiber (2) för detektion av fluorescensljus från nämnda fluorescerande material (4), minst en elektronikenhet (7) för drivning av nämnda ljuskälla (l) och analys av signaler från nämnda ljusdetektorer (5, 6), samt att nämnda analys innefattar kvotbildning mellan signalerna i motsvarande ljusintensiteterna hos nämnda reflekterade ljusïi' och nämnda fluorescensljus samt registrering av nämnda optiska tidskonstant, minst två signaluttag (21, 22) från nämnda elektronikenhet (7), varvid de från dessa signaluttag (21, 22) erhållna signalerna är monotona funktioner av tryck respektive temperatur.

2. Fiberoptiskt system enligt patentkrav I kännetecknat av att nämnda trycksensorelement (3) väsentligen är uppbyggt av minst två planparallella plattor (8, 9) med ett mellanliggande hålrum (10), varvid minst en av nämnda plattor (8, 9) är ljusgenomskinlig, och nämnda hålrum (10) definierar en s k Fabry- Perot-kavitet vars optiska reflektans är en funktion av avståndet mellan nämnda plattor (8, 9) samt att minst en av nämnda plattor (8) utgör ett tryckmembran vars utböjning är en monoton funktion av applicerat tryck. 510 449 b

3. Fiberoptiskt system enligt patentkrav l kännetecknat av att nämnda fluorescerande material (4) utgöres av glas med tillsats av neodymjoner.

4. Fiberoptiskt system enligt patentkrav 1 kännetecknat av minst en optisk förgrening (11) genom vilken ljus i nämnda fiber (2) uppdelas i ett flertal sinsemellan åtskilda passager med optisk förbindelse med nämnda ljuskâlla (1) och detektorer (5, 6).

5. Fiberoptiskt system enligt patentkrav l kânnetecknat av minst ett optiskt filter (12) placerat framför nämnda detektor (6) för fluorescensljus, varvid nämnda filter (12) har hög transmission för nämnda fluorescensljus, medan ljus från nämnda ljuskälla (1) väsentligen blockeras.

6. Fiberoptiskt system enligt patentkrav l kännetecknat av minst ett omkopplingsbart drivdon (13, 14) till nämnda ljuskälla (1), varigenom det ernitterade ljusets intensitet och tidsvariationer kontrolleras.

7. Fiberoptiskt system enligt patentkrav 1 kännetecknat av minst ett styrbart kopplingsdon (15) genom vilket olika drivdon (13, 14) till nämnda ljuskâlla (1) kan inkopplas.

8. Fiberoptiskt system enligt patentkrav 1 kännetecknat av minst en kvadraturdetektor (16) ansluten till nämnda detektor (6) för fluorescensljus.

9. Fiberoptiskt system enligt patentkrav l kännetecknat av ' minst en kvotbildare (17) vars insignaler motsvarar de frånf* ljusdetektorerna (5) och (6) infallande ljusintensiteterna.