DE3528294A1 - Method for the fibre-optical, spectrally coded transmission of the value of a variable physical measured quantity - Google Patents
Method for the fibre-optical, spectrally coded transmission of the value of a variable physical measured quantityInfo
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Abstract
Description
Daimler-Benz Daim 16 β5Γ|?/4Daimler-Benz Daim 16 β5Γ |? / 4
Aktiengesellschaft , \[q. 31.07.1985Aktiengesellschaft, \ [q. 07/31/1985
7000 Stuttgart 607000 Stuttgart 60
Verfahren zur faseroptischen, spektral kodierten Übertragung des Wertes einer veränderlichen physikalischen Meßgröße sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Process for fiber-optic, spectrally coded transmission of the value of a variable physical measured variable as well as Facility for carrying out the procedure.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur faseroptischen, spektral kodierten Übertragung des Wertes einer veränderlichen physikalischen Meßgröße mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen, sowie eine zur Durchführung pines solchen Verfahrens geeignete Einrichtung.The invention relates to a device for fiber-optic, spectrally coded transmission of the value of a variable physical measured variable with the generic features mentioned in the preamble of claim 1, and a device suitable for carrying out such a process.
Derartige Übertragungsverfahren und -Einrichtungen sollen von den Eigenschaften der verwendeten Lichtleitfasern möglichst unabhängig sein, damit im Rahmen eines faseroptischen Meßwertaufnehmers zur Verbindung von Meßfühler und Auswertegerät vorgesehene Fasern mit unterschiedlichen Längen, Querschnitten, Verlusten, Krümmungen etc. die Auswertung der spektral und hinsichtlich ihrer Intensität kodierten Nutzlicht-Signale möglichst wenig beeinträchtigen.Such transmission methods and devices should, if possible, depend on the properties of the optical fibers used be independent, so in the context of a fiber optic transducer to connect the sensor and evaluation device intended fibers with different lengths, cross-sections, losses, curvatures, etc. the evaluation of the Impact spectrally and with regard to their intensity coded useful light signals as little as possible.
Unter faseroptischen Meßwertaufnehmern werden im folgenden Anordnungen verstanden, die aus einem Meßfühler und einem Auswertegerät bestehen, die über eine oder mehrere Lichtleit-Under fiber optic transducers are understood in the following arrangements that consist of a sensor and a Evaluation devices exist that have one or more fiber optics
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Daim 16Daim 16
31.07.198507/31/1985
-Z--Z-
fasern optisch miteinander verbunden sind. Im Meßfühler wird eine zu erfassende physikalische Meßgröße (z.B. Druck, Temperatur, Kraft, Position, Winkel, etc.) in ein optisches Signal umgewandelt oder "kodiert", welches über die Lichtleitfaser zum Auswertegerät geleitet wird. Dort erfolgt die Dekodierung, d.h. es wird aus dem optischen Signal der Wert der am Meßfühler wirksamen Meßgröße ermittelt. Dieser Wert kann dann in geeigneter Form angezeigt, registriert oder anderweitig weiterverarbeitet werden, beispielsweise in einem Regler.fibers are optically interconnected. In the sensor a physical measurand to be recorded (e.g. pressure, temperature, Force, position, angle, etc.) into an optical signal converted or "encoded", which is sent to the evaluation device via the optical fiber. There the decoding takes place, i.e. the value of the measured variable effective at the sensor is determined from the optical signal. This value can can then be displayed, registered or otherwise processed in a suitable form, for example in a Regulator.
Wegen der ausgezeichneten Isolationsfähigkeit gebräuchlicher Lichtleitfasern besteht in derartigen faseroptischen Meßwertaufnehmern eine vollkommene galvanische Trennung zwischen Meßfühler und Anzeigegerät. Sie können somit ohne besondere Schutzmaßnahmen verwendet werden in der Hochspannungstechnik (Überwachung von Transformatoren), in der Medizin (keine Stromschlaggefahr für den Patienten), sowie in Anlagen der Petrochemie und des Bergbaues (keine Kurzschluß/Zündgefahr) oder im Kraftfahrzeugbau.Because of the excellent insulation properties of conventional optical fibers, there is such fiber optic transducers a complete galvanic separation between the sensor and the display device. You can thus without special Protective measures are used in high-voltage technology (monitoring of transformers), in medicine (no Risk of electric shock for the patient), as well as in plants in the petrochemical and mining industries (no short circuit / risk of ignition) or in automotive engineering.
Es wurde daher eine Vielzahl von Funktionsprinzipien faseroptischer Meßwertaufnehmer vorgeschlagen und demonstriert, wie z.B. in dem Artikel "Optical Fiber Sensor Technology" von T.G. Giallorenzi et al. im IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE - 1_8 (1982), S. 626 - 655, dargelegt. Unter diesen Meßwertaufnehmern zeichnet sich durch besondere konstruktive Einfachheit eine Untergruppe aus, bei der die erwähnte Kodierung durch eine Intensitätsmodulation erfolgt, beispielsweise mittels einer Lichtschranke. Der von einerA large number of functional principles have therefore become more fiber optic Measured value transducers proposed and demonstrated, for example in the article "Optical Fiber Sensor Technology" by T.G. Giallorenzi et al. in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE - 1-8 (1982), pp. 626-655. Among these transducers, a subgroup is characterized by particular structural simplicity in which the The coding mentioned takes place by means of an intensity modulation, for example by means of a light barrier. The one from one
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Daim ίδ *J 31.07.1985Daim ίδ * J July 31, 1985
gewöhnlich im Auswertegerät untergebrachten Lichtquelle kommende und über eine optische Faser zum Meßfühler geleitete Lichtstrom wird dort mehr oder weniger stark abgeschwächt, entsprechend dem Wert der gerade wirksamen Meßgröße. Der verbleibende Lichtstrom läuft über dieselbe oder eine andere Faser zu einem Detektor im Auswertegerät. Das zu der dort ankommenden Lichtleistung proportionale Detektorsignal ist somit ein Maß für den Wert der Meßgröße.Light source usually accommodated in the evaluation device and guided to the sensor via an optical fiber Luminous flux is weakened there to a greater or lesser extent, according to the value of the currently effective one Measurand. The remaining luminous flux runs over the same or a different fiber to a detector in the evaluation device. The detector signal proportional to the light power arriving there is thus a measure of the value of the Measurand.
Ein Vorteil dieses Funktionsprinzips besteht darin, daß die hier zur Kodierung angewandte Analog-Intensitätsmodulation technisch sehr einfach durch Verschiebung oder Verdrehung von Blenden durchgeführt werden kann, die in dem Lichtstrom angebracht sind und einen von ihrer Stellung abhängigen Bruchteil desselben passieren lassen. Andere wichtige Vorteile liegen in der Möglichkeit, für diese Meßwertaufnehmer preiswerte Multimode-Lichtleitfasern einsetzen zu können und sie mit Lumineszenz-Dioden als zuverlässigen, kleinen Lichtquellen zu betreiben. Auch kann durch zweckmäßige Ausgestaltung der Modulator-Blenden eine sehr hohe absolute Meßempfindlichkeit bezüglich der Blendenposition erreicht werden. Ein für diese Gruppe von Meßwertaufnehmern typisches Beispiel kann in dem von W.B. Spillmann und D.H. McMahon beschriebenen "Schlieren Multimode Fiberoptic Hydrophone" (Applied Physics Letters, Vol. J7' 1980, S. 145 ff.) gesehen werden. Bei diesem Meßwertaufnehmer wird die Intensitätsmodulation dadurch erreicht, daß der Lichtstrom nacheinander zwei eng benachbarte, parallel angeordnete Strichgitter durchsetzt, die eine Art "Moire" - Modulator bilden.One advantage of this functional principle is that the analog intensity modulation used here for coding technically very simple by shifting or twisting diaphragms that can be carried out in the luminous flux are attached and allow a fraction of it to pass, depending on their position. Other important benefits lie in the possibility of being able to use inexpensive multimode optical fibers for these transducers and operate them with luminescent diodes as reliable, small light sources. It can also be done through appropriate design the modulator diaphragm achieves a very high absolute measurement sensitivity with regard to the diaphragm position will. A typical one for this group of transducers Example can be found in that of W.B. Spillmann and D.H. McMahon described "Schlieren Multimode Fiberoptic Hydrophones" (Applied Physics Letters, Vol. J7 '1980, pp. 145 ff.) will. With this transducer, the intensity modulation is achieved in that the luminous flux successively penetrated by two closely adjacent, parallel arranged line gratings, which form a kind of "moiré" modulator.
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Daim 16 63Γ 31.07.1985Daim 16 63Γ July 31, 1985
Die Verschiebung des einen Gitters gegen das andere um eine Strichbreite (typisch: 5 μΐη) bewirkt/ daß dieser Modulator vom Zustand maximaler Lichttransmission in den Zustand minimaler Transmission gesteuert wird. Primär stellt diese Anordnung also einen Wegaufnehmer dar. In dem speziellen Fall dieses Beispiels wird ein Hydrophon (Unterwasser-Schalldruck-Aufnehmer) daraus, indem eines der Gitter mit einer elastischen Membran verbunden ist, auf die der zu erfassende Druck wirkt und sie durchbiegt. Die Membran fungiert somit als ein Druck ·* Weg-Wandler. In gleicher Weise ließe sich der erwähnte Modulator auch für die Konstruktion faseroptischer Thermometer, Dynamometer, Accelerometer und Aufnehmer für weitere Größen verwenden, indem statt der Membran entsprechende andere Wandler eingesetzt werden, beispielsweise ein Bimetallkörper (Temperatur ·♦ Weg), ein Federkörper (Kraft -*■ Weg) , oder eine Testmasse an einem Federkörper (Beschleunigung ·*■ Kraft -*■ Weg) .The displacement of one grating against the other by a line width (typically: 5 μΐη) causes / that this modulator is controlled from the state of maximum light transmission to the state of minimum transmission. This arrangement therefore primarily represents a displacement transducer. In the special case of this example, it becomes a hydrophone (underwater sound pressure transducer) in that one of the grids is connected to an elastic membrane on which the pressure to be detected acts and deflects. The membrane thus functions as a pressure * displacement transducer. In the same way, the mentioned modulator could also be used for the construction of fiber optic thermometers, dynamometers, accelerometers and sensors for other quantities by using other transducers instead of the membrane, for example a bimetallic body (temperature path), a spring body (force - * ■ distance), or a test mass on a spring body (acceleration · * ■ force - * ■ distance).
Ein anderer einfacher faseroptischer Meßwertaufnehmer, der ebenfalls zu der Gruppe der mit Analog-Intensitätsmodulation arbeitenden Aufnehmer gehört, ist das faseroptische Thermometer nach A.J. Rogers (Applied Optics Vol. 21, 1982, S. 882 - 885). In diesem Instrument wird der über eine Faser am Meßfühler ankommende Lichtstrom nicht mittels einer mechanisch bewegten Blende, sondern mittels einer temperaturabhängigen, polarisationsoptischen Anordnung in seiner Intensität abgeschwächt, ehe er faseroptisch zum Auswertegerät zurückgeleitet wird und eine dem Detektorsignal entsprechende Anzeige bewirkt.Another simple fiber optic transducer that also belongs to the group of analog intensity modulation working transducer is the fiber optic thermometer according to A.J. Rogers (Applied Optics Vol. 21, 1982, Pp. 882-885). In this instrument, the light flux arriving at the sensor via a fiber is not measured by means of a mechanically moved diaphragm, but by means of a temperature-dependent, polarization-optical arrangement in its intensity attenuated before it is fiber optically returned to the evaluation device and a signal corresponding to the detector signal Display causes.
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Cf0 31.07.1985 Cf 0 07/31/1985
Die beiden erwähnten und zahlreiche andere, dem Stand der Technik entsprechende, faseroptische Meßwertaufnehmer der Untergruppe mit Kodierung durch Intensitätsmodulation besitzen den grundsätzlichen Nachteil, daß das Auswertegerät nicht unterscheiden kann zwischen Änderungen des vom Detektor empfangenen Lichtstromes aufgrund von Änderungen der Meßgröße einerseits und Änderungen aufgrund von Schwankungen der Faserverluste andererseits. Letztere können beispielsweise auftreten, wenn die Faser gekrümmt wird, oder wenn in einem Faserkabel ihre Temperatur oder ihre mechanische Spannung variieren. Ein weiterer Nachteil ist es, daß diese Meßwertaufnehmer im allgemeinen mit dauerhaft verbundenen Faserleitungen fester Länge arbeiten müssen. Der Einsatz von Faser-Steckverbindungen scheidet nämlich aus, weil sie gewöhnlich nicht genau reproduzierbare Verluste bewirken. Ein Betätigen der Stecker könnte dann eine entsprechende Variation bzw. Unsicherheit der Anzeige zur Folge haben. Im gleichen Sinne würde sich auch die Installation von Fasern unterschiedlicher Länge oder Dämpfung problematisch auf die Eichung der Aufnehmer dieser Untergruppe auswirken.The two mentioned and numerous other prior art fiber optic transducers of the Subgroups with coding by intensity modulation have the fundamental disadvantage that the evaluation device cannot distinguish between changes in the luminous flux received by the detector due to changes in the Measured variable on the one hand and changes due to fluctuations in fiber losses on the other. The latter can for example occur when the fiber is bent, or when in a fiber cable its temperature or its mechanical Voltage vary. Another disadvantage is that these transducers are generally associated with permanently Fixed length fiber lines have to work. The use of fiber connectors is ruled out because they usually do not cause precisely reproducible losses. Actuating the plug could then result in a corresponding variation or uncertainty in the display. In the same sense, the installation of fibers of different lengths or attenuation would also be problematic affect the calibration of the transducers of this subgroup.
Aus diesem Grunde wird in einigen verbesserten faseroptischen Meßwertaufnehmern ein zweiter Übertragungskanal eingeführt, der einen von der Meßgröße nicht oder aber gegensinnig modulierten Referenzlichtstrom überträgt. Zur Bestimmung der Meßgröße im Auswertegerät dient dann nicht mehr eine absolute Leistung, sondern das Verhältnis der Leistungen der empfangenen Lichtströme im Signal- und im Referenz-Kanal. Falls die erwähnten Änderungen der Faserverluste in beiden Kanälen gleich sind, so ändern sich mit den Faserverlusten zwar die Absolut-Leistungen der Lichtströme,For this reason, a second transmission channel is introduced in some improved fiber optic transducers. which transmits a reference luminous flux that is not modulated by the measured variable or is modulated in opposite directions. For determination the measured variable in the evaluation device is then no longer an absolute output, but the ratio of the outputs of the received luminous fluxes in the signal and in the reference channel. If the mentioned changes in fiber losses are the same in both channels, the absolute power of the luminous fluxes change with the fiber losses,
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Daim 16*6^/4 3 5 28 31.07.1985Daim 16 * 6 ^ / 4 3 5 28 07/31/1985
aber ihr Verhältnis bleibt davon unberührt, und die Anzeige ist unabhängig von diesen Änderungen.. Eine derartige Kodierung der Meßgröße in das Intensitätsverhältnis zweier Lichtströme wird beispielsweise benutzt in den von H. Dötsch et al. angegebenen faseroptischen Meßwertaufnehmern (IEE Conference* Proceedings Nr. 221, "Optical Fibre Sensors", London 1983, S. 67-71). Eine verschiebbar angeordnete Linse im Meßfühler koppelt hier den ankommenden Lichtstrom in zwei abgehende, zum Auswertegerät führende Lichtleitfasern. Die Meßgröße beeinflußt die Stellung der Linse und koppelt somit das Licht entsprechend stärker in die eine oder andere der beiden Fasern in solcher Weise ein, daß das Verhältnis der beiden Teillichtströme die Meßgröße eindeutig repräsentieren sollte.but their relationship remains unaffected, and the display is independent of these changes .. Such a coding the measured variable in the intensity ratio of two luminous fluxes is used, for example, in the by H. Dötsch et al. specified fiber optic transducers (IEE Conference * Proceedings No. 221, "Optical Fiber Sensors", London 1983, pp. 67-71). A slidably arranged lens in the probe here couples the incoming luminous flux into two outgoing optical fibers leading to the evaluation device. The measurand influences the position of the lens and thus couples the light correspondingly more strongly into one or the other of the two fibers in such a way that the ratio of the two partial luminous fluxes clearly represent the measured variable should.
Tatsächlich ist diese Kompensation veränderlicher Faserverluste aber nur begrenzt wirksam, denn der Signal- und der Referenzkanal werden ja über zwei verschiedene Lichtleitfasern zum Auswertegerät geführt und unterliegen somit nicht genau den gleichen Einflüssen. Gegen eine breite praktische Anwendbarkeit steht hier neben der aufwendigen Notwendigkeit der zusätzlichen Referenzfaser aber vor allem immer noch der erwähnte Nachteil nicht-reproduzierbarer Stecker-Verluste, die in den beiden Kanälen im allgemeinen deutlich verschieden sein werden. Dieser Nachteil schließt die Verwendung von Steckern bei dieser Art von Meßwertaufnehmern bisher praktisch aus, wodurch aber deren Einsatzmoglichkeiten erheblich eingeschränkt werden. Eine zunächst erwägenswert erscheinende Lösung dieses Problems kann darin gesehen werden, den Signal- und den Referenzlichtstrom Über dieselbe Lichtleitfaser zu führen und diese beiden Lichtströme bei zwei verschiedenenIn fact, this compensation for variable fiber losses is only effective to a limited extent, because the signal and the Reference channels are routed to the evaluation device via two different optical fibers and are therefore not subject to them exactly the same influences. Against a broad practical applicability stands next to the costly necessity the additional reference fiber but above all still the mentioned disadvantage of non-reproducible connector losses, which in general will be significantly different in the two channels. This disadvantage precludes the use of So far, plugging in this type of transducers has been practically unplugged, but this considerably limits their possible uses will. A solution to this problem that initially seems worth considering can be seen in the signaling and the reference luminous flux over the same optical fiber lead and these two luminous fluxes at two different
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Daiml664,<- 352829A 31.07.1985 D a iml6 6 4 , <- 352829A 07/31/1985
optischen Frequenzen zu übertragen, beispielsweise im grünen und roten Spektralbereich. Eine derartige Lösung unter Ausnutzung von Lichtströmen mit relativ großem spektralem Abstand kann jedoch in der Praxis nicht zufriedenstellend sein, da die meisten Arten von Faserverlusten stark von der optischen Frequenz (bzw. Wellenlänge) abhängen, desgleichen die Detektorempfindlichkeiten, woraus zusätzlich Eichprobleme resultieren können. Eine Übertragung mit zwei spektral weit auseinanderliegenden optischen Frequenzen kann somit nicht von den Fasereigenschaften unabhängig sein, wobei der Ausdruck "von den Fasereigenschaften unabhänig" bedeuten soll, daß die beiden Lichtströme in möglichst gleicher Weise allen Arten von Faserverlusten bei ihrer Übertragung unterliegen, d.h. den Absportionsund Streuverlusten, Krümmungsverlusten und Koppelverlusten von Steckern, Spleißen sowie auch Querschnittsänderungen der Faser. Für eine im vorstehend erläuterten Sinne von den Fasereigenschaften unabhängige Übertragung wäre es zumindest notwendig, die beiden optischen Frequenzen sehr dicht benachbart zu wählen, d.h. so, daß ihr Frequenzabstand ΔV zur mittleren Frequenz y der beiden Lichtströme sehr klein ist. Weiterhin müßte auch noch die spektrale Linienbreite OV der beiden Lichtströme klein sein, etwa üV sr AV.to transmit optical frequencies, for example in the green and red spectral range. Such a solution using light fluxes with a relatively large spectral spacing cannot, however, be satisfactory in practice, since most types of fiber losses depend heavily on the optical frequency (or wavelength), as do the detector sensitivities, which can result in additional calibration problems. A transmission with two spectrally far apart optical frequencies can therefore not be independent of the fiber properties, whereby the expression "independent of the fiber properties" is intended to mean that the two luminous fluxes are subject to all types of fiber losses in the same way as possible during their transmission, ie absorption and loss Scattering losses, curvature losses and coupling losses from connectors, splices and changes in the cross-section of the fiber. For a transmission that is independent of the fiber properties in the sense explained above, it would at least be necessary to choose the two optical frequencies very closely adjacent, ie so that their frequency spacing ΔV from the mean frequency y of the two light fluxes is very small. Furthermore, the spectral line width OV of the two luminous fluxes would also have to be small, for example üV sr AV.
Entsprechend schmalbandige optische Filter sind zwar möglich, aber sehr aufwendig und sie würden aus dem kontinuierlichen Emissionsspektrum einer Lumineszenzdiode nur einen sehr kleinen, der Filter-Linienbreite entsprechenden Leistungsanteil durchlassen, woraus aber wieder Probleme hinsichtlich der Nachweisempfindlichkeit bzw. -genauigkeit resultieren könnten.Correspondingly narrow-band optical filters are possible, but very complex and they would be removed from the continuous emission spectrum of a light emitting diode only a very small one, the filter line width Let the corresponding performance share through, which in turn leads to problems with regard to the detection sensitivity or accuracy could result.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine von den Eigenschaften einer faseroptischen Übertragungsstrecke weitestgehend unabhängige übertragung für den Meßwert charakteristischer optischer Signale und deren einfache Auswertung ermöglicht, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The object of the invention is therefore to specify a method of the type mentioned at the outset which has one of the properties a fiber optic transmission link largely independent transmission for the measured value more characteristic allows optical signals and their simple evaluation, as well as a device for performing this method.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.With regard to the method, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Hiernach werden zwei spektral durch ineinander verschachtelte Linienspektren kodierte Lichtströme I1 und I2 1 in deren Leistungsverhältnis die Meßgröße kodiert ist, über eine einzige, den Lichtweg vom Meßfühler zum Auswertegerät markierende optische Faser in das Auswertegerät eingekoppelt, durch das eine Auswertung des Leistungsverhältnisses in Einheiten der Meßgröße erfolgt. Die beiden Lichtströme sind, da sie über dieselbe optische Faser und dieselben Verbindungselemente zwischen dieser und dem Meßfühler einerseits sowie dem Auswertegerät andererseits, z.B. Faser-Steckverbindungen, geleitet werden, insoweit exakt denselben Einflüssen der faseroptischen Übertragungsstrecke unterwerfen, die sich daher bei durch Verhältnisbildung erfolgenden Auswertung gleichsam herausheben, so daß insoweit optimale Voraussetzungen für eine von der Gestaltung der faseroptischen übertragungsstrecke unabhängige übertragung der Meßwertinformation gegeben sind. Durch die erfindungsgemäß ausgenutzte Linienstruktur der beiden Lichtströme, die als spektral ineinander verzahnte oder verschachtelte Kamm-Spektren beschrieben werden kann, wird auf einfache Weise erreicht, Thereafter, two luminous fluxes I 1 and I 2 1 , which are spectrally encoded by interleaved line spectra, are coupled into the evaluation device via a single optical fiber that marks the light path from the sensor to the evaluation device, through which the output ratio is evaluated in units the measured variable takes place. The two luminous fluxes are, as they are conducted via the same optical fiber and the same connecting elements between it and the measuring sensor on the one hand and the evaluation device on the other, e.g. fiber plug connections, subject to exactly the same influences of the fiber optic transmission path, which are therefore subject to evaluation through ratio formation as it were, so that optimal conditions are given for a transmission of the measured value information independent of the configuration of the fiber-optic transmission path. The linear structure of the two luminous fluxes used according to the invention, which can be described as spectrally interlocking or nested comb spectra, is achieved in a simple manner
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daß die beiden miteinander zu vergleichenden Lichtströme, mindestens in sehr guter Näherung, praktisch gleichethat the two luminous fluxes to be compared are practically the same, at least in a very good approximation
- mittlere - Wellenlängen haben, so daß auch insoweit Gleichheit der - Wellenlängen-abhängigen - Einflüsse der faseroptischen Übertragungsstrecke auf die in dieser sich ausbreitenden Lichtströme I, und I- gegeben ist und damit insgesamt weitestgehende Unabhängigkeit der Meßwertübertragung von den Eigenschaften der Faser und deren Fluktuationen erzielt wird. Auch eine ggf. erforderliche Abhängigkeit der Detektorempfindlchkeiten von der Wellenlänge kann sich- Middle - have wavelengths, so that the - wavelength-dependent - influences of the fiber optic transmission path on the in this propagating luminous fluxes I, and I- is given and thus Overall, the transmission of measured values is largely independent of the properties of the fiber and its fluctuations is achieved. A possibly required dependency of the detector sensitivities on the wavelength can also arise
- wegen der verschachtelten spektralen Struktur der Lichtströme I, und I, - auf das Meßergebnis nicht störend auswirken. Es kommt hinzu, daß es durch das erfindungsgemäße Verfahren auch möglich wird, je nach der Zahl der in den einzelnen Kernspektren enthaltenen Linien einen relativ großen Bruchteil der Leistung aus dem kontinuierlichen Spektrum der jeweils verwendeten Lichtquelle, z.B. einer Lumineszensdiode, auszunutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im übrigen mit einfach gestalteten optischen FiItereinrichtungen durchführbar.- because of the interleaved spectral structure of the luminous fluxes I, and I, - do not interfere with the measurement result. In addition, the process according to the invention also makes it possible, depending on the number of in the individual core spectra contained a relatively large fraction of the power from the continuous lines Use the spectrum of the light source used, e.g. a luminescent diode. The method according to the invention can also be carried out with simply designed optical filter devices.
In der durch die Merkmale des Anspruchs 2 umrissenen Verfahrensweise kann eine optimale Annäherung an den Idealfall absoluter Gleichheit der mittleren Wellenlängen der Teillichtströme I und I_ erzielt werden, beispielsweise dadurch, daß das Spektrum des einen Teillichtstromes nur eine einzige Linie umfaßt und das Spektrum des anderen Teillichtstromes zwei Linien, deren mittlere Wellenlänge derjenigen der einen Linie des erstgenannten Teillichtstromcß entspricht. Eine derartige Vorgehensweise ist z.B. unter Verwendung von Laser-Lichtquellen möglich.In the procedure outlined by the features of claim 2 can be an optimal approximation to the ideal case of absolute equality of the mean wavelengths of the partial luminous fluxes I and I_ are achieved, for example, in that the spectrum of a partial luminous flux is only one includes the single line and the spectrum of the other partial luminous flux two lines, the mean wavelength of which corresponds to that of the one line of the first-mentioned partial luminous flux c. Such a procedure is possible, for example, using laser light sources.
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
Daim 16 β5β/4 31.07.1985Daim 16 β5β / 4 July 31, 1985
- y6- - y6-
Durch die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 sind alternativ anwendbare Durchführungsarten des erfindungsgemaßen Verfahrens angegeben, wobei in der einen Durchführungsart - gemäß Figur 4 - mit gleichzeitiger Übertragung beider Teillichtströme I, und Nachweis derselben mit separaten Detektoren gearbeitet wird, während in der anderen Durchführungsart mit zeitlich verschachtelter Übertragung der Teillichtströme I1 und I2 und damit synchronisiertem Empfang derselben mit Hilfe nur eines Detektors gearbeitet wird.The features of claims 3 and 4 indicate alternatively applicable types of execution of the method according to the invention, with one type of execution - according to FIG interleaved transmission of the partial luminous fluxes I 1 and I 2 and thus synchronized reception of the same with the help of only one detector is worked.
Zur Durchführung dieser alternativen Verfahrensweisen geeignete Einrichtungen sind, ihrem grundsätzlichen Aufbau nach durch die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 angegeben, durch welche die insoweit der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst wird.Devices suitable for carrying out these alternative procedures are their basic structure according to the features of claims 5 and 6, through which the so far underlying the invention Subtask is solved.
Durch die Merkmale der Ansprüche 7 bis 24 sind alternativ oder in sinnfälliger Kombination ausnutzbare Gestaltungsund Funktionsmerkmale im Rahmen von Einrichtungen gemäß den Ansprüchen 6 und 7 zur Erfassung der Meßgröße einsetzbarer, vorteilhaft einfach gestalteter Meßfühler angegeben, die auf eine Benutzung in Transmission ausgelegt sind. Derartige Meßfühler werden dann zweckmäßigerweise nicht nur an das Auswertegerät, sondern auch an die jeweilige Lichtquelle über eine optische Faser angekoppelt.Due to the features of claims 7 to 24, alternatively or in a logical combination, usable design and construction Functional features within the framework of devices according to claims 6 and 7 which can be used for detecting the measured variable, Advantageously simply designed measuring sensor specified, which are designed for use in transmission. Such sensors are then expediently not only connected to the evaluation device, but also to the respective light source coupled via an optical fiber.
Durch die Merkmale des Anspruchs 25 ist der prinzipielle Aufbau einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten, weiteren Einrichtung angegeben, bei welcher der zur Erfassung der Meßgröße ausgenutzte MeßfühlerThe features of claim 25 provide the basic structure of a method for carrying out the method according to the invention suitable, further device indicated in which the sensor used to detect the measured variable
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Da"im"T6 31.05.1985Since "in" T6 May 31, 1985
-Vi--Vi-
als eine Reflexionseinheit ausgebildet ist. Zur optischen Ankopplung des Meßfühlers an die Lichtquelle bzw. ein Lichtversorgungsgerät einerseits und an das Auswertegerät andererseits wird hier nur eine einzige optische Faser benötigt, sowie ein teildurchlässiger Spiegel, über den ein Teil der durch die optische Faser zurückgeleiteten Lichtströme I, und I2 zur Nachweiseinrichtung des Auswertegeräts hin umlenkbar ist.is designed as a reflection unit. For the optical coupling of the sensor to the light source or a light supply device on the one hand and to the evaluation device on the other hand, only a single optical fiber is required here, as well as a partially transparent mirror through which part of the light fluxes I and I 2 returned through the optical fiber to the detection device of the evaluation device can be deflected.
Durch die Merkmale der Ansprüche 26 bis 33 sind mit einfachen technischen Mitteln realisierbare Gestaltungen von Meßfühlern angegeben, die im Rahmen einer gemäß Anspruch ausgebildeten Einrichtung einsetzbar sind.The features of claims 26 to 33 make it possible to implement designs of with simple technical means Specified measuring sensors which can be used in the context of a device designed according to claim.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Durchführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie von Ausführungsbeispielen zu dessen Durchführung geeigneter Einrichtugnen. Es zeigen:Further details and features of the invention emerge from the following description of implementation examples of the method according to the invention and of exemplary embodiments for the implementation of suitable facilities. Show it:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen, faseroptischen Meßwertaufnehmers als Einrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur spektral kodierten Übertragung einer physikalischen Meßgröße, in vereinfachter, schematischer Blockbild-Darstellung, Fig. 1 shows the basic structure of an inventive, fiber optic transducer as a device for carrying out an inventive Method for the spectrally coded transmission of a physical measured variable, in a simplified, schematic block diagram representation,
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Dam, 16-6Λ/? 52829Dam, 16- 6 Λ /? 52829
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Fig. 2(a) eine typische spektrale Verteilung der Intensität von einer in dem Meßwertaufnehmer gemäß Fig.l einsetzbare Lichtquelle, Figure 2 (a) shows a typical spectral distribution of the intensity of one in the transducer according to Fig.l usable light source,
Fig. 2(b) Durchlaß-Charakteristiken im Rahmen des Meßwertaufnehmers gemäß Figur 1 einsetzbarer Transmissionsfilter,Fig. 2 (b) transmission characteristics in the context of the transducer transmission filter that can be used according to FIG. 1,
Fig. 2(c) die spektrale Zusammensetzung zur Erfassung und 2(d) der Meßgr5ße ausgenutzter Teillichtströme I1 Fig. 2 (c) the spectral composition for detecting and 2 (d) measuring the g r e 5ß-utilized partial luminous fluxes I 1
und I-,and I-,
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, to explain the method according to the invention,
Fig. 3 vereinfachte Blockschaltbild-Darstellungen un alternativer Ausführungsformen von faseroptischen Meßwertaufnehmern zur Erläuterung alternativer Durchführungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Meßfühlern, die auf Transmissionsbetrieb ausgelegt sind,Fig. 3 simplified block diagram representations un alternative embodiments of fiber optic transducers alternative to illustrate the ways of performing the inventive method using sensors, which are designed for transmission operation,
Fig. 5 alternative Gestaltungsmöglichkeiten im Rahmen von Meßwertaufnehmern gemäß Fig. 3 oder Fig. einsetzbarer Meßfühler,FIG. 5 shows alternative design options within the framework of measured value pickups according to FIG. 3 or FIG. insertable measuring probe,
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Daim 16 6*Γ<0/4Daim 16 6 * Γ <0/4
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Fig. 9 für Transmissionsbetrieb geeignete Meßfühler un mit als Referenzfilter gestalteten FilterFIG. 9 is suitable for transmission mode sensor with un-designed reference Filter
paaren zur Bestimmung der spektralen Zusammensetzung der Teillichtströme I und I_ sowie mit verschiebbaren Blenden zur Intensitätsmodulation dieser Teillichtströme,pair to determine the spectral composition of the partial luminous fluxes I and I_ as well as with sliding screens for the intensity modulation of these partial luminous fluxes,
Fig. 11 ebenfalls in Transmission benutzbare Meßfühler un mit polarisationsabhängiger Aufteilung eines11 measuring sensors which can also be used in transmission and with a polarization-dependent division of a
Primärlichtstromes in die zur Meßwerterfassung ausgenutzten Teillichtströme und mit polariations abhängig arbeitenden Modualtionseinrichtungen,Primary luminous flux into the measurement value acquisition utilized partial luminous fluxes and with polarization-dependent modulation devices,
Fig. 13 alternative Gestaltungen erfindungsgemäßer un faseroptischer Meßwertaufnehmer mit im RefleFig. 13 alternative designs according to the invention un fiber optic transducer having Refle
xionsmodus betreibbaren Meßfühlern,xion mode operable sensors,
Fig. 15 den grundsätzlichen Aufbau verschiedener, 1S im Reflexionsmodus benutzbarer Meßfühler,15 shows the basic structure of various 1S sensors that can be used in reflection mode,
Fig. 18 eine spezielle Gestaltung eines seinem grundsätzlichen Aufbau nach dem Meßfühler gemäß Fig.17 entsprechenden Meßfühlers mit als Bregg-Reflektoren ausgebildeten Interferenzfiltern zur spektralen Kodierung der Teillichtströme I. und I2/ sowie18 shows a special design of a basic structure according to the sensor Fig. 17 corresponding sensor with as Bregg reflectors trained interference filters for the spectral coding of the partial luminous fluxes I. and I2 / as well as
Fig. 9 funktionell den Meßfühlern gemäß den Figuren 11 un und 12 entsprechende, jedoch in Reflexion beFig. 9 functionally un the sensors according to Figures 11 and 12 corresponding, however, be in reflection
treibbare Meßfühler.drivable sensors.
In den Figuren 1 und 3 bis 20 der Zeichnung sind bau- und funktionsgleiche bzw. -analoge Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen belegt.In Figures 1 and 3 to 20 of the drawing, structurally and functionally identical or analogous elements are each with the same Reference symbol occupied.
Daim 16 βΛ/4 yt(- 31.07.1985Daim 16 βΛ / 4 yt (- 07/31/1985
. 39-. 39-
Mit Bezug auf die Figuren 1 und 2, auf deren sämtliche Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, wird im Folgenden einerseits das allgemeine Bauprinzip eines ingesamt mit 100 bezeichneten Meßwertaufnehmers erläutert, der eine Einrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur spekt-räl kodierten 'übertragung des Wertes einer kontinuierlich veränderlichen physikalischen Meßgröße "x" darstellt, das mehr im einzelnen anhand der Figur 2 erläutert werden wird. Dabei zeigt die Figur 1 einen faseroptischen Meßwertaufnehmer 100, der mit Kodierung der Meßgröße χ in das Intensitätsverhältnis zweier Lichtströme I1 und I0 arbeitet. Der Meßwertaufnehmer 100 umfaßt eine Lichtquelle 14 mit kontinuierlichem Emissionsspektrum, einen Meßfühler 11, der die Kodierung der Meßgröße χ in das Verhältnis der Intensitäten der beiden Lichtströme I1 und I2 vermittelt, die aus einer - spektralen - Verzweigung eines von der Lichtquelle 14 in den Meßfühler 11 eingekoppelten Primärlichtstromes I erzeugt werden, sowie eine Auswertestufe 10, die eine Dekodierung des Intensitätsverhältnisses der beiden Lichtströme I- und I„ in Einheiten der Meßgröße χ vermittelt und ein für die Meßgröße χ charakteristisches Signal erzeugt, das mittels eines Anzeigeinstrumentes 22 in Einheiten der Meßgröße angezeigt oder zu einer weiteren Verarbeitung ausgenutzt werden kann, z.B. zur Aktivierung einer Pumpe, die einen Druckspeicher auflädt, dessen Druckniveau einen unteren Grenzwert nicht unterschreiten darf, wobei in diesem Falle die Meßgröße χ der Druck in diesem Druckspeicher ist.With reference to Figures 1 and 2, all details of which are expressly referred to, on the one hand the general construction principle of a transducer designated as 100 is explained below, which is a device for carrying out a method according to the invention for the spectrally coded transmission of the value of a represents continuously variable physical measured variable "x", which will be explained in more detail with reference to FIG. FIG. 1 shows a fiber-optic measured value pick-up 100 which works with coding of the measured variable χ in the intensity ratio of two luminous fluxes I 1 and I 0 . The transducer 100 includes a light source 14 with a continuous emission spectrum, a sensor 11, which transmits the coding of the measured variable χ in the ratio of the intensities of the two luminous fluxes I 1 and I 2 , which from a - spectral - branch of one of the light source 14 in the Sensor 11 coupled primary luminous flux I are generated, as well as an evaluation stage 10, which a decoding of the intensity ratio of the two luminous fluxes I and I "mediates in units of the measured variable χ and generates a signal characteristic of the measured variable χ, which by means of a display instrument 22 in units of the Measured variable can be displayed or used for further processing, e.g. to activate a pump that charges a pressure accumulator, the pressure level of which must not fall below a lower limit value, in which case the measured variable χ is the pressure in this pressure accumulator.
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Daim 16 31.07.1985Daim 16 07/31/1985
Von der Lichtquelle 14, beispielsweise einer Lumineszensdiode emittiertes Licht, wird über eine erste optische Faser 12 als ein Primärlichtstrom I dem Meßfühler 11 zu-From the light source 14, for example a luminescent diode emitted light is fed to the sensor 11 via a first optical fiber 12 as a primary luminous flux I
geführt. In diesem Meßfühler 11 ist als Eingangsstufe ein erstes Filterpaar 15 vorgesehen, das den Primärlichtstrom I in die beiden Teillichtströme I- und I2 zerlegt.guided. In this sensor 11, a first pair of filters 15 is provided as an input stage, which divides the primary luminous flux I into the two partial luminous fluxes I and I 2.
Durch das in der Figur 1 lediglich schematisch angedeutete Filterpaar 15 wird den aus der Aufteilung des Primärlichtstromes I resultierenden Teillichtströmen I- und I2 eine charakteristische - verschiedene - spektrale Intensitätsverteilung mit jeweils schmalbandig-linienförmiger Struktur der spektralen Verteilung der Lichtleistungen aufgeprägt, derart, daß eine Spektrallinie des einen Lichtstromes I- als Spektral zwischen zwei Linien des anderen Lichtstromes I2 liegt; dadurch wird eine spektrale Verschachtelung der beiden Lichtströme I-, und I2 erzielt, wobei der spektrale Abstand einer Linie des jeweils einen Lichtstromes I2 von einer spektral benachbarten Linie des anderen Lichtstromes I2 jeweils größer ist als die Linienbreite dieser spektralen Komponenten der beiden Lichtströme I- und I2.Due to the filter pair 15, which is only indicated schematically in FIG. 1, the partial luminous fluxes I and I 2 resulting from the division of the primary luminous flux I are impressed with a characteristic - different - spectral intensity distribution, each with a narrow-band, line-shaped structure of the spectral distribution of the light outputs, such that a The spectral line of one luminous flux I- lies as a spectral between two lines of the other luminous flux I 2; This achieves a spectral interleaving of the two luminous fluxes I and I 2 , the spectral distance of a line of the one luminous flux I 2 from a spectrally adjacent line of the other luminous flux I 2 being greater than the line width of these spectral components of the two luminous fluxes I- and I 2 .
Bei dem in der Figur 1 dargestellten, zur prinzipiellen Erläuterung der Erfindung gewählten Ausführungsbeispiel eines Meßwertaufnehmers 100 erfahren die Ausgangs-Teillichtströme I1 und I2 des ersten Filterpaares 15 eine räumliche Trennung voneinander, und es ist im Rahmen des Meßfühlers 11 eine z.B. als transversal zur Ausbreitungsrichtung des einen Lichtstromes I1 verschiebbare Blende 17 ausgebildete Modulationseinrichtung vorgesehen, mittels derer die Lichtleistung des einenIn the exemplary embodiment of a transducer 100 shown in FIG. 1, chosen to explain the principle of the invention, the output partial luminous fluxes I 1 and I 2 of the first filter pair 15 are spatially separated from one another, and within the scope of the sensor 11, for example, as transverse to Direction of propagation of a luminous flux I 1 displaceable shutter 17 provided modulation device by means of which the light output of the one
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aus dem Filterpaar 15 austretenden Lichtstromes I1 auf mit der Verschiebung der Blende 17 korrelierte Werte I1 veränderbar ist, wogegen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 die Lichtleistung des anderen, aus dem Filterpaar 15 austretenden Teillichtstromes I2 durch die Modulationseinrichtung 17 nicht beeinflußt wird. Die beiden Teillichtströme werden in einem als Ausgangsstufe des Meßfühlers 11 vorgesehenen Vereinigungselement im Sinne einer überlagerung wieder miteinander vereinigt und über eine zweite optische Faser 13 gemeinsam dem Auswertegerät 10 zugeleitet.from the pair of filters 15 exiting light current I 1 with the displacement of the diaphragm 17 correlated values is variable I 1, whereas in the embodiment according to FIG 1, the light output of the other, emerging from the pair of filters 15 partial light current I 2 by the modulating means 17 is not affected. The two partial luminous fluxes are combined with one another again in a combination element provided as the output stage of the measuring sensor 11 in the sense of a superimposition and fed together to the evaluation device 10 via a second optical fiber 13.
In dem Auswertegerät 10 ist ein zweites, über die optische Faser 13 mit dem Ausgang des StrahlVereinigungselements 16 optisch verbundenes Filterpaar 18 vorgesehen, das insgesamt dieselbe Transmissionscharakteristik hat wie das im Rahmen des Meßfühlers 11 vorgesehene, erste Filterpaar 15. Das Filterpaar 18 des Auswertegeräts 10 vermittelt somit wieder eine Trennung der über die zweite optische Faser 13 gemeinsam dem Auswertegerät 10 zugeleiteten Teillichtströme I1 und I2, deren Intensitäten von zwei je einem der beiden Lichtströme I1 und I2 zugeordneten Detektoren 19 bzw. 20 erfaßt werden, wobei das Ausgangssignal des einen Detektors, z.B. des Detektors 19, der durch die Modulationseinrichtung 17 modifizierten Intensität I1 des Teillichtstromes I1 und das Ausgangssignal des anderen Detektors 20 der - beim dargestellten Erläuterungsbeispiel ungeänderten Intensität des anderen Teillichtstromes I2 proportional ist. Zur weiteren Auswertung ist im Rahmen des Auswertegerätes eine Elektronikstuf'e 21 vorgesehen, die einIn the evaluation device 10 a second filter pair 18 is provided, optically connected to the output of the beam combining element 16 via the optical fiber 13, which has the same overall transmission characteristics as the first filter pair 15 provided in the context of the sensor 11. The filter pair 18 of the evaluation device 10 mediates thus, again, separation of the joint through the second optical fiber 13 to the evaluation unit 10 supplied to the partial luminous fluxes I 1 and I 2, the intensities of which are detected by two each of the two light currents I 1 and I 2 associated detectors 19 and 20, wherein the output of the a detector, eg the detector 19, the intensity I 1 of the partial luminous flux I 1 modified by the modulation device 17 and the output signal of the other detector 20 which is proportional to the intensity of the other partial luminous flux I 2, unchanged in the illustrated example. For further evaluation, an electronic stage 21 is provided in the evaluation device, which is a
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dem Verhältnis R = S-/S 2 ^er Signalpegel der Detektor-Ausgangssignale S1 und S2 entsprechendes Ausgangssignal bildet, das mittels des Meßinstrumentes 22 anzeigbar ist. Wird in dem Meßfühler 11 der Teillichtstrom I- beispielsweise dadurch moduliert, daß er durch die beweglich angeordnete Blende 17 von seiner ursprünglichen Leistung I-mehr oder weniger auf eine Leistung I- abgeschwächt wird, so vermindert sich die Anzeige des Meßinstrumentes 22 entsprechend. Die in der Figur 1 dargestellte faseroptische Anordnung stellt somit einen Meßwertaufnehmer für die Meßgröße χ dar, wenn diese Meßgröße die Stellung der Blende 17 steuert und das Meßinstrument 22 in Einheiten der Meßgröße χ geeicht ist.forms the output signal corresponding to the ratio R = S / S 2 ^ he signal level of the detector output signals S 1 and S 2 , which output signal can be displayed by means of the measuring instrument 22. If the partial luminous flux I- is modulated in the sensor 11, for example by being weakened from its original output I- more or less to an output I- by the movably arranged diaphragm 17, the display of the measuring instrument 22 is reduced accordingly. The fiber optic arrangement shown in FIG. 1 thus represents a measured value pick-up for the measured variable χ if this measured variable controls the position of the diaphragm 17 and the measuring instrument 22 is calibrated in units of the measured variable χ.
In der Figur 2 ist das Verfahren der spektralen Kodierung veranschaulicht, das eine von den Eigenschaften der verwendeten optischen Fasern 12 und 13 unabhängige übertragung für die Meßgröße charakteristischer optischer Signale zwischen dem Meßfühler 11 und dem Auswertegerät 10 bewirkt.Hierbei ist durch die Figur 2 (a) schematisch die spektrale Leistungsdichteverteilung "I0(V ) einer Lichtquelle 24 mit kontinuierlichem Emissions-Grundspektrum als Funktion der optischen Frequenz Die Bandbreite des Grundspektrums, gemessen zwischen den Frequenzwerten Vl/2 imd γΉ/2, bei denen die Leistungsdichte des Grundspektrums jeweils der Hälfte des Maximalwertes IQ beträgt, wird mit By bezeichnet.In FIG. 2, the method of spectral coding is illustrated, which effects a transmission independent of the properties of the optical fibers 12 and 13 used for the measured variable of characteristic optical signals between the measuring sensor 11 and the evaluation device 10 ) schematically the spectral power density distribution "I 0 (V) of a light source 24 with a continuous emission basic spectrum as a function of the optical frequency The bandwidth of the basic spectrum, measured between the frequency values Vl / 2 and γΉ / 2, where the power density of the basic spectrum is half of the maximum value I Q is denoted by By.
-' : '"""' --"-' 352829A - ' : '"""'-"-' 352829A
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Weiterhin sind in der Figur 2 (b) spektrale Transmissions-Charakteristiken T1 (V) und T2 (ν) dargestellt, die jedes der beiden Filterpaare 15 und 18 besitzen muß. Jede dieser beiden Transmissions-Charakteristiken entspricht einem Linienspektrum mit einem typischen Abstand Ay zwischen benachbarten Linien desselben Filters 15 bzw. 18 und mit einer typischen Linienbreite 6v . Dabei ist für den einen Teillichtstrom I1 die eine Transmissionscharakteristik T1 (γ) Furthermore, FIG. 2 (b) shows spectral transmission characteristics T 1 (V) and T 2 (ν) which each of the two filter pairs 15 and 18 must have. Each of these two transmission characteristics corresponds to a line spectrum with a typical distance Ay between adjacent lines of the same filter 15 or 18 and with a typical line width 6v . For one partial luminous flux I 1, the transmission characteristic T 1 (γ)
wirksam, während für den anderen Teillichtstrom I2 die Transmissions-Charakteristik T2 (V) wirksam ist. In der Figur 2 ^b) . sind, der Einfachheit halber,effective, while the transmission characteristic T 2 (V) is effective for the other partial luminous flux I 2. In the figure 2 ^ b). are, for the sake of simplicity,
spektrale Durchlaßbereiche der E'ilter 15 und 18 in gleichen spektralen Abständen gleich "breit" und gleich "hoch" dargestellt. Diese Gleichheiten, wiewohl vorteilhaft für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, müssen nicht streng über die gesamte Bandbreite By erfüllt sein. Vielmehr ist es ausreichend, wenn sie angenähert über größere Teilbereiche der Halbwertbreite By des Grundspektrums bestehen, beispielsweise in dem Sinne, daß das Spektrum T„(V) aus T1(V) durch eine Verschiebung um etwa ΔΥ/2 hervorgeht.Wesentlich ist vor allem, daß beide Spektren bzw. Durchlaß-Charakteristiken T1(V) und T_(V) so ineinander verschachtelt sind, daß sie sich möglichst wenig überlappen, und daß eine Vielzahl von Linien in die Bandbreite By des Grundspektrums I0(V) fällt.The spectral transmission ranges of the filters 15 and 18 are shown at the same spectral intervals as being “wide” and being “high”. These equations, although advantageous for the effectiveness of the method according to the invention, do not have to be strictly fulfilled over the entire bandwidth By. Rather, it is sufficient if they exist approximately over larger partial areas of the half-value width By of the basic spectrum, for example in the sense that the spectrum T ″ (V) emerges from T 1 (V) by a shift of approximately ΔΥ / 2 all that both spectra or transmission characteristics T 1 (V) and T_ (V) are nested in one another so that they overlap as little as possible, and that a large number of lines fall within the bandwidth By of the basic spectrum I 0 (V) .
Es sollen daher die folgenden Bedingungen gelten:The following conditions should therefore apply:
(S V * AV/2 (1;(S V * AV / 2 (1;
AV « By (2). AV «By (2).
Daim 16Daim 16
3k·3k
31.07.198507/31/1985
Die aus diesen Filter-Charakteristiken und dem Grundspektrum IQ(V) der Lichtquelle 24 resultierenden Spektren I-(V) und I2(V) der Lichtströme I1 bzw. I, sind in den Figuren 2 (c\_ und 2 (d) dargestellt. Es ist ersichtlich, daß wegen der Bedingung (2) und des stetigen Verlaufes des Grundspektrums über der Frequenzskala bei.de Spektralverteilung I-(V) und I« (V) in guter Näherung dieselbe mittlere optische Frequenz V0 und auch dieselbe Gesamt-Bandbreite By besitzen, die durch das Grundspektrum IQ(V) vorgegeben sind. Dadurch erfahren die beiden Lichtströme I- und I„ stets dieselben durch die optischen Fasern 12 und 13 bedingten Verluste. Dieser Vorteil kann durch die Auslegung der Filterpaare 15 und 18 selbst dann noch erreicht werden, wenn sich die Faserverluste als Funktion der optischen Frequenz V relativ drastisch ändern, wie z.B. die Streuverluste, die The spectra I- (V) and I 2 (V) of the luminous fluxes I 1 and I, resulting from these filter characteristics and the basic spectrum I Q (V) of the light source 24, are shown in Figures 2 (c \ _ and 2 ( It can be seen that because of condition (2) and the steady course of the basic spectrum over the frequency scale at de spectral distributions I- (V) and I «(V), the same mean optical frequency V 0 and also to a good approximation have the same total bandwidth By, which are specified by the basic spectrum I Q (V). As a result, the two luminous fluxes I and I "always experience the same losses caused by the optical fibers 12 and 13. This advantage can be achieved through the design of the filter pairs 15 and 18 can still be achieved even if the fiber losses change relatively drastically as a function of the optical frequency V, such as, for example, the scattering losses which
2
typisch proportional zu V ansteigen. Der Spektrale Linienabstand AV muß dann hinreichend klein gewählt
werden, daß die verlustbedingten Unterschiede der spektralen Intensitäten bei zwei spektral benachbarten
Linien kleiner werden als die für den Meßwertaufnehmer geforderte Anzeige-Genauigkeit. Wegen der Stetigkeit
aller realen Verlustspektren ist dies immer möglich.2
typically increase proportionally to V. The spectral line spacing AV must then be selected to be sufficiently small that the loss-related differences in the spectral intensities in two spectrally adjacent lines are smaller than the display accuracy required for the transducer. Because of the continuity of all real loss spectra, this is always possible.
Die Tatsache, daß die beiden in der erfindungsgemäßen Weise spektral kodierten Lichtströme X- und I_ praktisch dieselbe mittlere Frequenz V" und Bandbreite By besitzen, wirkt sich auch vorteilhaft beim Nachweis dieser Lichtströme aus, insbesondere für den Fall, daß ihre Leistungen mit demselben Detektor gemessen werden sollen, wie es in selbst-abgleichenden Auswerteverfahren zweckmäßig ist. Bei gleichen Werten von V und By für beideThe fact that the two in the inventive Way, spectrally coded luminous fluxes X- and I_ have practically the same mean frequency V "and bandwidth By, is also advantageous in the detection of these luminous fluxes, especially in the event that their Performances are to be measured with the same detector as it is expedient in self-adjusting evaluation processes is. With the same values of V and By for both
Z6Z6
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Teillichtströme I- und I2 sind nämlich die Detektorempfindlichkeiten für beide Lichtströme gleich groß, auch wenn sie beide rasch veränderliche Funktionen der Frequenz sein sollten.Partial luminous fluxes I and I 2 are namely the detector sensitivities for both luminous fluxes the same, even if they should both be rapidly changing functions of the frequency.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen Kodierung besteht darin, daß ein relativ großer Bruchteil der im Emissions-Grundspektrum der Lichtquelle 24 zur Verfügung stehenden Lichtleistung ausnutzbar ist. Dieser Bruchteil ist ungefähr gegeben durch die über die Bandbreite By gemittelten spektralen Transmissions-Charakteristiken T.(V) und T2 der Filterpaare 15 und 18. Entsprechend der Darstellung der Filter-Transmissions-Charakteristiken gemäß Figur 2(b) haben dxese spektralen Mittelwerte beide etwa den Wert T1 = T2 = Ov /Δν . Dabei ist unterstellt, daß die Spitzentransmissionswerte der Transmissions-Charakteristiken T. (V) und T2(y) nahe bei dem Wert 1 liegen. Die genannten Werte τ\ und T2 können um Größenordnungen höher liegen als in Fällen, in denen Teillichtströme I1 und I2 lediglich durch Ausfilterung jeweils einer einzelnen Linie der spektralen Breite flV gewonnen werden.Another important advantage of the coding provided according to the invention is that a relatively large fraction of the light power available in the basic emission spectrum of the light source 24 can be used. This fraction is roughly given by the spectral transmission characteristics T. (V) and T 2 of the filter pairs 15 and 18 averaged over the bandwidth By approximately the value T 1 = T 2 = Ov / Δν. It is assumed here that the peak transmission values of the transmission characteristics T. (V) and T 2 (y) are close to the value 1. The stated values τ 1 and T 2 can be orders of magnitude higher than in cases in which partial luminous fluxes I 1 and I 2 are only obtained by filtering out a single line of spectral width flV.
Schließlich ist noch die Tatsache besonders vorteilhaft, daß sich Filter 15 und 18 mit spektralen Transmissions-Charakteristiken, wie in der Figur 2 (b)( dargestellt, relativ einfach in Form von Interferenz-Filtern konstruieren lassen, worauf im Folgenden noch ausführlicher eingegangen wird.Finally, the fact is even more advantageous that filters 15 and 18 having spectral transmittance characteristics as shown in Figure 2 (b) (shown, are relatively easy to construct in the form of interference filters, which will be discussed in more detail below.
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z.ur näheren Erläuterung der bei dem insoweit erläuterten Verfahren praktisch auftretenden Verhältnisse wird folgendes Zahlenbeispiel betrachtet»z. for a more detailed explanation of the so far explained The following numerical example is considered for the conditions that occur in practice »
als Lichtquelle diene eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode mit einer mittleren optischen Wellenzahl y =12 000 cm , entsprechend etwa einer Wellenlänge von 0,83 Mm. Die Bandbreite By des Emissionsspektrums dieser Lumineszenz-Diode hat einen typischen Wert von 400 cm . Die Bedingungen (1) und (2) sind jedenfalls dann mit Sicherheit erfüllt, wenn Linienabstände Δ V von 40 cm und Linienbreiten oV von 2 cm benutzt werden. Dies läßt sich praktisch erreichen mit Interferenzfiltern der Ordnung m = 300 und der Finesse F =A gallium arsenide luminescent diode with an average optical wave number y = 12,000 cm, corresponding to a wavelength of 0.83 µm, serves as the light source. The bandwidth By of the emission spectrum of this luminescent diode has a typical value of 400 cm. The conditions (1) and (2) are in any case complies with safety, line widths of 2 cm oV be used when line spacings of 40 cm and Δ V. This can be achieved in practice with interference filters of order m = 300 and finesse F =
Die praktische Durchführung des insoweit erläuterten Rodierverfahrens ist auf verschiedene Weisen möglich, die nunmehr anhand der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Meßwertaufnehmer 100 bzw. 100' näher erläutert werden. Für die Meßfühler 11, die bei den beiden Meßwertaufnehmern 100 und 100' identisch ausgebildet sein können, wird hier zunächst nur vorausgesetzt, daß sie die über die optischen Fasern 12 und 13 zu- und abgeführten Lichtströme I1 und I2 verschieden stark durchlassen, derart, daß das Verhältnis T1/T2 üen momentanen Wert der Meßgröße χ repräsentiert. Bei der durch den Meßwertaufnehmer 100 gemäß Figur 3 repräsentierten Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diese beiden Lichtströme I1 und I2 aus einem Primärlichtstrom 1 einer Lichtquelle 14 abgezweigt. Dadurch haben Schwankungen der Leistung dieser Lichtquelle 14 keinen Einfluß auf die Anzeige des Meßwertes.The clearing process explained so far can be carried out in practice in various ways, which will now be explained in more detail with reference to the transducers 100 and 100 'shown in FIGS. For the sensors 11, which can be of identical design for the two transducers 100 and 100 ', it is initially only assumed that they allow the light currents I 1 and I 2 supplied and discharged via the optical fibers 12 and 13 to pass through to different degrees, such that the ratio T 1 / T 2 ü represents the current value of the measured variable χ. In the implementation of the method according to the invention represented by the measured value sensor 100 according to FIG. 3, these two luminous fluxes I 1 and I 2 are branched off from a primary luminous flux 1 of a light source 14. As a result, fluctuations in the power of this light source 14 have no influence on the display of the measured value.
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Daim 16 6i«/4 31.07.1985Daim 16 6i «/ 4 07/31/1985
AIs Folge der innigen spektralen Verschachtelung der beiden Lichtströme I- und I2, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 als spektrale Komponenten in dem Primärlichtstrom I enthalten sind, unterliegen diese beiden Lichtströme sehr genau den gleichen Kopplungsverhältnissen in der zum Meßfühler 11 führenden optischen Faser, so daß sie auch dieselben optischen Leistungen besitzen. Die vom Meßfühler 11 über die zweite optische Faser 13 zum Auswertegerät 10, in das die Lichtquelle integriert sein kann, gemeinsam geführten Lichtströme I- und I2 werden, wie schon in Verbindung mit der Figur 1 erläutert, in einem Filterpaar 18 separiert und von zwei getrennten Detektoren 19 und 20 in elektrische Signale S^ und S2 umgewandelt. Das Verhältnis S./S2 der Detektorsignale ist gleich dem Transmissionsverhältnis T../T , denn die beiden Lichtströme waren mit gleichen Leistungen in der Faser 12 gestartet und unterlagen, vom Meßfühler Ί1 abgesehen, überall den gleichen Verlusten und wurden auch mit gleichen Empfindlichkeiten der Detektoren 19 und nachgewiesen.As a result of the intimate spectral interleaving of the two luminous fluxes I and I 2 , which are contained in the exemplary embodiment according to FIG that they also have the same optical performance. The luminous fluxes I- and I 2 carried jointly by the sensor 11 via the second optical fiber 13 to the evaluation device 10, in which the light source can be integrated, are, as already explained in connection with FIG separate detectors 19 and 20 converted into electrical signals S ^ and S 2 . The ratio S./S 2 of the detector signals is equal to the transmission ratio T ../ T, because the two luminous fluxes started with the same power in the fiber 12 and, apart from the sensor Ί1, were subject to the same losses everywhere and were also subject to the same sensitivities the detectors 19 and detected.
Die durch den Meßwertaufnenmer 100' gemäß Figur 4 veranschaulichte Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt insofern eine Umkehrung der vorstehend erläuterten Verfahrensart dar, als hier die beiden Lichtströme I1 und I2 mit gleichen Leistungen an einem Empfänger 35 eines Auswertegerätes 10· ankommen, dafür aber mit verschiedenen, entsprechend dem Kehrwert des vorstehend erläuterten Transmissionsverhältnisses entsprechend modifizierten Leistungen in die von einemFigure 4 illustrated by the Meßwertaufnenmer 100 'according way of performing the method according to the invention provides far as a reversal of the procedure described above is, as here, the two light currents I 1 and I 2 having the same performance of an evaluation device 10 · arrive at a receiver 35, but with different, correspondingly modified according to the reciprocal of the transmission ratio explained above in that of one
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Lichtversorgungsgerät 14' zum Meßfühler 11 führende optische Faser eingekoppelt werden. Hierzu sind im Rahmen des Lichtversorgungsgerätes 14' zwei getrennte, aber im wesentlichen gleiche Lichtquellen 30 und 31 vorgesehen, deren Ausgangsleistungen durch elektronische Elemente und 33 steuerbar sind. Ein Filterpaar 18, das hier, verglichen mit dem Meßwertaufnehmer 100 gemäß Figur 3, in umgekehrter Richtung betrieben wird, filtert die Lichtströme 1- bzw. I- mit der für diese charakteristischen, verschachtelten spektralen Verteilung ihrer Lichtleistungen aus den Ausgangslichtströmen der Quellen 30 bzw. 31 aus und vereinigt zugleich diese Lichtströme I- und I2 t welche in die zum Meßfühler 11 weiterführende optische Faser eingekoppelt werden.Die geforderte Gleichheit der Leistungen der über die zweite optischer Faser 13 vom Meßfühler 11 zum Auswertegerät 10' zurückgeleiteten Lichtströme I- und I am Auskoppelende dieser optischen Faser 13 wird nun dadurch bewirkt, daß die Lichtquellen 30 und 31 durch einen Taktgeber 34 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, wobei die beiden Lichts'tröme I- und I2 nach Durchlaufen des gesamten optischen Systems von demselben Detektor 35 empfangen werden. Bei gleicher Leistung der Lichtströme 1- und I2 gibt dieser Detektor 35 ein zeitlich konstantes Ausgangssignal ab. Für den Fall, daß die Lichtleistungen der beiden Lichtströme I- und I2 etwas voneinander abweichen sollten, erzeugt der Detektor 35 ein Wechselsignal, das nach Verstärkung und Synchrongleichrichtung mittels eines in der Art eines phasenempfindlichen Gleichrichters wirkenden Verstärkers 36 als Fehlersignal einem Regler zugeleitet wird, der die elektronischen Steuerelemente und 33 derart beeinflußt, daß sich am Detektor-seitigen Ausgang der optischen Faser 13 die geforderte Gleichheit der Lichtleistungen der beiden Lichtströme I- und I2 Light supply device 14 'to the sensor 11 leading optical fiber are coupled. For this purpose, two separate but essentially identical light sources 30 and 31 are provided within the scope of the light supply device 14 ', the output powers of which can be controlled by electronic elements 13 and 33. A pair of filters 18, which is operated in the opposite direction compared to the transducer 100 according to FIG. 31 and at the same time combines these luminous fluxes I- and I 2 t which are coupled into the optical fiber leading to the sensor 11. The required equality of the power of the luminous fluxes I- and I returned via the second optical fiber 13 from the measuring sensor 11 to the evaluation device 10 ' At the decoupling end of this optical fiber 13, the light sources 30 and 31 are alternately switched on and off by a clock 34, the two light currents I and I 2 being received by the same detector 35 after passing through the entire optical system will. With the same power of the luminous fluxes 1 and I 2 , this detector 35 emits an output signal that is constant over time. In the event that the light outputs of the two light fluxes I and I 2 should deviate somewhat from one another, the detector 35 generates an alternating signal which, after amplification and synchronous rectification, is fed to a controller as an error signal by means of an amplifier 36 acting in the manner of a phase-sensitive rectifier, which influences the electronic control elements 13 and 33 in such a way that the required equality of the light outputs of the two light fluxes I and I 2 at the detector-side output of the optical fiber 13
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einstellt. Die vorstehend erläuterte Beeinflussung der Lichtquellen 30 und 31 kann darin bestehen, daß deren Ausgangs-Lichtleistung beeinflußt wird; es ist aber auch möglich, innerhalb einer Taktperiode des Taktgebers 34, der die Lichtquellen 30 und 31 alternierend in ihre Licht-emittierenden Zustände steuert, die Zeitdauern verändert" werden, innerhalb derer jeweils - innerhalb einer Taktperiode - die eine und die andere Lichtquelle bzw. 31 mit einer bestimmten Ausgangsleistung betrieben wird. Bei dieser Art der Ansteuerung der Lichtquellen und 31 wird die geforderte Gleichheit der Lichtleistungen bzw. Intensitäten der Lichtströme I1 und I«, wenn sie auf den Detektor 35 auftreffen, somit durch eine Variation der innerhalb einer Taktperiode von den einzelnen Lichtquellen 30 und 31 emittierten Lichtenergie erzielt. Aus dem resultierenden Verhältnis der die Lichtquellen und 31 hinsichtlich ihrer Intensität bzw. ihrer Leuchtdauer steuernden Signale berechnet eine Elektronikstufe 21' wieder das gesuchte Transmissions-Verhältnis T-1/T2 und bewirkt, ggf. nach Bewertung mit einer vorher zu ermittelnden Eich-Funktion, auch eine Meßwert-Anzeige mit Hilfe des Änzeigeinstruments 22. Es sei darauf hingeweisen, daß bei dem anhand der Figur 4 erläuterten Verfahren letztendlich die .Bestimmung des Wertes aer Meßgröße aus dem Verhältnis der Leistungen der Lichtströme I1 und I2 am Auskoppelende der optischen Faser 13 erfolgt, auch wenn dieses Verhältnis nach dem·Einschwingen des erläuterten Regelkreises den Wert 1 besitzt.adjusts. The above-explained influencing of the light sources 30 and 31 can consist in the fact that their output light power is influenced; But it is also possible, within a clock period of the clock generator 34, which controls the light sources 30 and 31 alternately in their light-emitting states, the periods of time are changed within which each - within a clock period - the one and the other light source or light source. 31 is operated with a certain output power. With this type of control of the light sources 31 and 31, the required equality of the light outputs or intensities of the light fluxes I 1 and I «when they strike the detector 35, thus by a variation of the within one clock period light energy emitted by the individual light sources 30 and 31. From the resulting ratio of the signals controlling the light sources 31 and 31 with regard to their intensity or their lighting duration, an electronic stage 21 'again calculates the transmission ratio T-1 / T2 sought and, if necessary, effects after evaluation with a calibration function to be determined beforehand, also a measurement value see with the help of Änzeigeinstruments 22. It is to be executed noted that takes place in the above-reference to the Figure 4 method ultimately .Bestimmung the value aer measurement variable from the ratio of the powers of the light currents I 1 and I 2 at the extraction end of the optical fiber 13, also if this ratio has the value 1 after the control loop has settled.
I.I.
Daim 16 6Λ/4Daim 16 6Λ / 4
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Die Konstruktion im Rahmen von Meßwertaufnehmern 100 bzv7. 100' wie in den Figuren 3 und 4 lediglich schematisch angedeutet, kann im wesentlichen nach vier verschiedenen Bauprinzipien erfolgen, die in den Figuren 5 bis 8, auf deren Einzelheiten nunmehr Bezug genommen sei, in der für einen Vergleich geeigneten Weise schematisch dargestellt sind.The construction within the scope of transducers 100 or 7. 100 'as in Figures 3 and 4 only schematically indicated, can be done essentially according to four different construction principles, which are shown in Figures 5 to 8, reference is now made to the details of which, schematically, in the manner suitable for comparison are shown.
Dabei entspricht der in der Figur .5 dargestellte Meßfühler 11 dem schon in der Figur 1 dargestellten:The sensor 11 shown in FIG. 5 corresponds to that already shown in FIG. 1:
aus dem über die optische Faser 12 ankommenden Lichtstrom I, dessen spektrale Zusammensetzung durch die Emissionscharakteristik der Lichtquelle 14 bestimmt ist, werden mittels des Filterpaares 15 die beiden Lichtströme 1- und Ι, getrennt, durch die Meßgröße moduliert und in dem Strahlvereiniger 16 wieder vereinigt und in die zum Auswertegerät 10 weiterführende optische Faser 13 eingekoppelt. Wesentlich ist es hier, daß die Modulation auf die beiden Lichtströme I- und I~ verschieden einwirkt. In Figur 5 ist dies durch ein verschiebbares Dämpfungsfilter 17 mit ortsabhängiger Transmission, einen sogenannten Graukeil, angedeutet; alternativ dazu könnte auch eine quer zur Licht-Ausbreitungsrichtung verschiebbare Blende vorgesehen werden oder irgend ein anderes der'bekannten Verfahren zur Abschwächung einer Lichtleistung zum Einsatz kommen. Während bei dem Meßfühler 11 gemäß Figur 5 nur eine Meßgrößen-abhängige Modulation des einen Lichtstromes I-vorgesehen ist, ist es praktisch vorteilhafter, auch den anderen Lichtstrom Ι~/ diesen jedoch im gegenläufigen Sinne zur Modulation des Lichtstromes I1,zu modulieren,From the light flux I arriving via the optical fiber 12, the spectral composition of which is determined by the emission characteristics of the light source 14, the two light fluxes 1- and Ι are separated by means of the filter pair 15, modulated by the measured variable and combined again in the beam combiner 16 and coupled into the optical fiber 13 leading to the evaluation device 10. It is essential here that the modulation acts differently on the two luminous fluxes I- and I ~. In Figure 5, this is indicated by a displaceable damping filter 17 with location-dependent transmission, a so-called gray wedge; alternatively, a diaphragm which can be displaced transversely to the direction of light propagation could also be provided, or any other known method for attenuating a light output could be used. While only one measurand-dependent modulation of a light current is I-provided in the probe 11 according to Figure 5, it is practically advantageous, and the other light flux Ι ~ / these, however, in opposing senses for the modulation of the luminous flux I 1, to modulate,
'■ u'■ u
Daim 16 630/4 31.07.1985Daim 16 630/4 July 31, 1985
das heißt derart, daß eine intensitätsabnahme des Lichtstromes 1- mit einer Zunahme der Intensität des Lichtstromes I2 einhergeht. Die für eine derartige Modulation beider Lichtströme I- und Ι,ίη dem Meßfühler 11 erforderliche Trennung derselben ist in Figur 5 schematisch als eine echte räumliche Trennung angedeutet.that is, in such a way that there is a decrease in the intensity of the luminous flux 1- with an increase in the intensity of the luminous flux I2 goes hand in hand. The sensor 11 required for such a modulation of the two luminous fluxes I and Ι, ίη Separation of the same is indicated schematically in FIG. 5 as a real spatial separation.
Es versteht sicn jedoch, daß auch andere Arten der Trennung zweier Licntströme ausnutzbar sind, beispielsweise eine Trennung hinsichtlich der Ausbreitungsrichtungen der Lichtströme I- und I2 oder bezüglich verschiedener Polarisationszustände derselben. In beiden der letztgenannten Fälle ist es in vorteilhafter Weise möglich, beide Lichtströme I. und I2 im wesentlichen innerhalb desselben räumlichen Querschnittes fließen zu lassen, was eine besonders gute Gleichheit aller z.B. durch Blendenränder oder Streureflexionen bedingter Verluste garantiert.It is understood, however, that other types of separation of two light currents can also be used, for example a separation with regard to the directions of propagation of the light currents I 1 and I 2 or with regard to different polarization states of the same. In both of the last-mentioned cases it is advantageously possible to have both luminous fluxes I. and I 2 flow essentially within the same spatial cross-section, which guarantees particularly good equality of all losses caused, for example, by diaphragm edges or scattered reflections.
Als Strahlvereinigungselement 16 können zahlreiche, dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, die ansonsten als mit Wellenfront- oder Amplituden-Teilung arbeitende Strahlenteiler-Einrichtungen benutzt werden, beispielsweise faseroptische Y-Koppler, teildurchlässige Spiegel oder dergleichen. Für den Fall, daß sich die zu vereinigenden, d.h. in die optische Faser 13 einzukoppelnden Teillichtströme I1 und I2 hinsichtlich ihrer Polarisation unterscheiden, kann auch ein Polarisations-Analysator als Strahlvereiniger 16 dienen, wenn er einen zwischen den Polarisationszuständen der Lichtströme I1 und I2 liegenden Polarisationszustand passieren läßt.Numerous arrangements known to the person skilled in the art can be used as the beam combining element 16, which are otherwise used as beam splitter devices working with wavefront or amplitude splitting, for example fiber optic Y-couplers, partially transparent mirrors or the like. In the event that the difference to be united, that is coupled into the optical fiber 13A of the light currents I 1 and I 2 with respect to their polarization, a polarization analyzer can be used as beam combiner 16 when a between the polarization states of the luminous fluxes I 1 and I 2 lying polarization state can pass.
1 zn 1 zn
- U- - U-
Daim 16 31.07.1985Daim 16 07/31/1985
Bei der in der Figur 6 dargestellten Modofikation eines im Rahmen eines Meßwertaufnehmers 100 bzw. 100', wie in den Figuren 3 £>zw. 4 dargestellt, einsetzbaren Meßfühlers 11 ist im Unterschied zu dem Meßfühler gemäß Figur 5, bei dem ein fester Strahlvereiniger und ein von diesem getrennt angeordneter Modulator 17 Verwendung finden, ein durcn die Meßgröße χ gesteuerter Strahlvereiniger 16 vorgesehen, der hier beide Funktionen - Modulation und Strahlvereinigung - erfüllt. Je nach dem Wert der Meßgröße χ koppelt der Modulator 16 des Meßfühlers 11 gemäß Figur 6 einen mehr oder weniger großen Anteil der Leistung des Liehtstromes I1 und einen dazu komplementären Teil der Leistung des Liehtstromes I2 in die zum Auswertegerät 10 weiterführende optische Faser ein. Diese Art der Strahlvereinigung in Kombination mit gegensinniger Modulation der Intensitäten der Lichtströme I, und I2 kann beispielsweise durch eine beweglich angeordnete Linse realisiert werden oder, im Falle unterschiedlicher Polarisationen der Lichströme I- und I2^ durch einen in Abhängigkeit von der Meßgröße χ verstellbaren Polarisations-Analysator.In the modification shown in FIG. 6 of a sensor 100 or 100 ', as shown in FIGS. 4, the usable measuring sensor 11 is, in contrast to the measuring sensor according to FIG - Fulfills. Depending on the value of the measured variable χ, the modulator 16 couples 11 according to Figure 6 is a more or less large proportion of the power of the Liehtstromes I 1 and a complementary portion of the power of the Liehtstromes I 2 into the secondary to the evaluation unit 10 optical fiber of the probe. This type of beam combination in combination with opposing modulation of the intensities of the luminous fluxes I 1 and I 2 can be implemented, for example, by a movably arranged lens or, in the case of different polarizations of the luminous fluxes I and I 2 ^, by a lens that can be adjusted depending on the measured variable χ Polarization analyzer.
In den Figuren 7 und 8 sind weitere vorteilhafte Gestaltungen von Meßfühlern 11 dargestellt, welche die zur Kodierung der Meßgröße χ notwendigen, charakteristischen unterschiedlichen Modulationen - relative Änderungen der Intensitäten der Teillichtströme I- und I2 vermitteln. Dabei geht der in der Abbildung 7 dargestellte Meßfühler 11 aus demjenigen gemäß Figur 5 einfach durch Vertauschung der Reihenfolge des Filterpaares 15 undIn FIGS. 7 and 8, further advantageous designs of measuring sensors 11 are shown, which convey the different characteristic modulations required for coding the measured variable χ - relative changes in the intensities of the partial luminous fluxes I and I 2 . The sensor 11 shown in FIG. 7 is derived from that according to FIG. 5 simply by interchanging the order of the filter pair 15 and
'■· 2t'■ · 2t
Daim 16 31.07.1985Daim 16 07/31/1985
des Strahlvereinigers 16 bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Teillichtströme hervor, wobei nunmehr das gemäß Figur 5 als Strahlvereiniger v/irkende Element als Strahl-Aufteilungselement (Figur 7) wirkt.of the beam combiner 16 with respect to the direction of propagation of the partial luminous fluxes, with now the according to FIG. 5 as a beam combiner v / acting element acts as a beam splitting element (Figure 7).
Dasselbe gilt sinngemäß für die in der Figur δ dargestellte Gestaltung eines weiteren Meßfühlers 11, der aus demjenigen gemäß Figur 6 durch entsprechende Vertauschung der in Ausbreitungsrichtung der Lichtströme gesehen aufeinander folyenuen optischen Elemente 16 - Meßgrößen-gesteuerter Strahlenteiler - und Filterpaar 15 hervorgeht, wobei hier das Filterpaar 15 seinerseits als StrahlVereinigungselement wirkt.The same applies mutatis mutandis to the design of a further measuring sensor 11 shown in FIG from that according to FIG. 6 by corresponding interchanging of the luminous fluxes in the direction of propagation viewed one another, film-based optical elements 16 - measured variable-controlled beam splitter - and a pair of filters 15, the pair of filters 15 in turn acting as a beam combining element.
üur genaueren Erläuterung anwendbarer Modulationsverfahren sei nunmehr auf die Einzelheiten der Figuren 9 und 10 verwiesen, in denen schematisch dargestellt ist, wie durch das Verschieben einer Blende die beiden Teillichtströme 1- und I2 gegensinnig in ihren Leistungen moduliert werden können.For a more detailed explanation of applicable modulation methods, reference is now made to the details of FIGS. 9 and 10, in which it is shown schematically how the performance of the two partial luminous fluxes 1 and I 2 can be modulated in opposite directions by moving a diaphragm.
Gemäß figur 9 wird der über die optische Faser 12 ankommende Lichtstrom I, beispielsweise mittels einer Kollimations-Linse 54 auf eitt Filterpaar 15 gerichtet, das aus zwei Interferenzfiltern 52 und 53 besteht, die vom Typ eines Fabry-Perot-Interferometers sind. Diese Interferenzfilter 52 und 53, die je für sich eine Transmissions-Charakteristik mit in der Frequenzskala äquidistant angeordneten, schmalbandigen Durchlaßbereichen haben, filtern die Lichtströme I1 und I2 mit der erfindungsgemäß ausgenutzten schmalbandig-linienförmigen spektralen Struktur aus, dieAccording to FIG. 9, the luminous flux I arriving via the optical fiber 12 is directed, for example by means of a collimation lens 54, onto a pair of filters 15, which consists of two interference filters 52 and 53, which are of the Fabry-Perot interferometer type. These interference filters 52 and 53, which each have a transmission characteristic with narrow-band pass bands arranged equidistantly in the frequency scale, filter out the luminous fluxes I 1 and I 2 with the narrow-band linear spectral structure used according to the invention, which
23 2 3
Daim 16 6SO/A 31.07.1985Daim 16 6SO / A July 31, 1985
beim Erläuterungsbeispiel gemäß Figur 9 in zwei räumlich getrennten Bereichen nebeneinander herlaufen. Die Blende 51 schattet von beiden Lichtströmen I1 und I2, wie aus der Figur 9 ersichtlich, je nach ihrer Stellung mehr oder weniger große Bereiche des Lichtflußquerschnittes ab. Bei einer Verschiebung der Blende 51 in Abhängigkeit von der Meßgröße x, transversal zur Ausoreitungsrichtung der Teillichtströme I1 und I2, vergrößert sich der durchgelassene Anteil des Liahtstromes I1, während der von dem Teillichtstrom I2 weitergeleitete Anteil sich verringert. Es versteht sich, daß die in der Zeichenebene gemmessene Breite der Blende hierzu passend gewählt sein muß, zweckmäßigerweise gleich der transversal zur Ausbreitungsrichtung gemessenen '•Breite" der Lichtflußquerschnitte jeder der Teillichtströme I- und I2. Die Wiedervereinigung der beiden durchgelassenen Bruchteile der Teillichtströme I- und denen durch die Interferenzfilter 52 und 53 aie wechselseitig ineinander verschachtelte sehmalbandig-linienförmige spektrale Struktur aufgeprägt ist, wird durch eine Sammellinse 55 erzielt, welche die beiden Teillichtströme I1 und I2 bzw. deren von der Blende 51 nicht abgeschattete Bruchteile auf das Meßfühlerseitige Eingangsende der zum Auswertegerät 1Θ weiterführenden optischen Faser 13 fokussiert und in diese eingekoppelt. Ein Vorteil dieser gleichzeitigen, gegensinnigen Modulation der Teillichtströme I1 und I2 besteht darin, aaß sich dabei das zur Auswertung ausgenutzte Le is tungs verhältnis ^1A2 in Abhängigkeit vom Verschiebeweg der Blende 51 doppelt so schnell ändert als wenn nur einer der beiden Teillichtströmein the explanatory example according to FIG. 9, run side by side in two spatially separate areas. The diaphragm 51 shades from the two luminous fluxes I 1 and I 2 , as can be seen from FIG. 9, depending on its position, more or less large areas of the light flux cross section. When the diaphragm 51 is displaced as a function of the measured variable x, transversely to the direction of discharge of the partial luminous fluxes I 1 and I 2 , the transmitted portion of the light current I 1 increases , while the portion passed on by the partial luminous flux I 2 decreases. It goes without saying that the width of the diaphragm measured in the plane of the drawing must be selected appropriately, expediently equal to the width of the light flux cross-sections of each of the partial luminous fluxes I and I 2 measured transversely to the direction of propagation - and which are impressed by the interference filters 52 and 53 with alternately interleaved, narrow-band, line-shaped spectral structure, is achieved by a converging lens 55, which transfers the two partial luminous fluxes I 1 and I 2 or their fractions not shaded by the aperture 51 to the sensor side The input end of the optical fiber 13 leading to the evaluation device 1Θ is focused and coupled into it. One advantage of this simultaneous, opposing modulation of the partial luminous fluxes I 1 and I 2 is that the power ratio used for the evaluation is 1 A 2 as a function of the Displacement of the Aperture 51 changes twice as quickly as if only one of the two partial luminous fluxes
moduliert werden würde.would be modulated.
'■ 30'■ 30
„J"J
31.07.198507/31/1985
Auch bei der in der Figur 10 dargestellten Gestaltung eines Meßfühlers 11 wird das schon anhand der Figur 9 erläuterte Grundprinzip einer Modulation spektral verschachtelter Teillichtströme I- und I- mit Hilfe einer transversal verschiebbaren Blende 51 * ausgenutzt, wobei die spektrale Zusammensetzung dieser Teillichtströme I1 1 und I2 1 wiederum durch Interferenzfilter 52' und bestimmt ist, die je für sich den für ein Fabry-Perot-Interferometer charakteristischen Aufbau haben.Also in the embodiment shown in the Figure 10 design of a sensor 11 already explained with reference to Figure 9 basic principle is a modulation spectrally interleaved partial luminous fluxes I and I- with the aid of a transversely movable shutter 51 utilized *, where the spectral composition of these partial luminous fluxes I 1 1 and I 2 1 is again determined by interference filters 52 'and, each of which has the structure characteristic of a Fabry-Perot interferometer.
In der zur Lichtausbreitungsrichtung transversalen X-Richtung gesehen sind bei dem Sensor 11 gemäß Figur 10 Filter 52' der einen Sorte und Interferenzfilter 53" der zweiten Sorte in alternierender Folge nebeneinander angeordnet. Es entsteht somit eine räumlich verschachtelte Anordnung der Interferenzfilter 52' und 53', wobei die Interferenzfilter "521^ jeweils die gleiche Transmissionscharakteristik haben, durch welche die spektrale Zusammensetzung der von diesen Filtern 52' durchgelassenen Teillichtströme I-1 bestimmt ist, und die Filter 53' ihrerseits jeweils die gleiche Durchlaßcharakteristik haben, durch die die spektrale Zusammensetzung der Teillichtströme I2 1 bestimmt ist, die ihrerseits dieselbe räumlich "verschachtelte" Verteilung haben, wie die Interferenzfilter 52' bezüglich der Interferenzfilter 53'. Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 sind auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10 die in ihrer Wirkung insgesamt einem Filterpaar 15 entsprechenden Interferenzfilter 52' und 53' zwischen einer Kollimations-Linse 54 und einer Sammellinse 55 angeordnet, die als Strahlvereinigungselement wirkt. Der Meßfühler 11 gemäß Figur 10In the X-direction transverse to the direction of light propagation, in sensor 11 according to FIG. 10, filters 52 'of one type and interference filters 53 "of the second type are arranged next to one another in an alternating sequence. The interference filters "52 1 ^" each have the same transmission characteristic, by which the spectral composition of the partial luminous fluxes I- 1 transmitted by these filters 52 'is determined, and the filters 53' in turn each have the same transmission characteristic, through which the spectral composition of the partial luminous fluxes I 2 1 is determined, which in turn have the same spatially "nested" distribution as the interference filters 52 'with respect to the interference filters 53'. As in the exemplary embodiment according to FIG. 9, in the exemplary embodiment according to FIG. 10, the interference filters 52 'and 53' corresponding in their effect to a filter pair 15 are arranged between a collimation lens 54 and a converging lens 55, which acts as a beam combining element. The measuring sensor 11 according to FIG. 10
1 Sf 1 Sf
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
üaim 16 65f/4 31.07.1985üaim 16 65f / 4 07/31/1985
hat den Vorteil, daß eine mögliche Dejustierung der Kollimator-Linse 54 keine störende Ungleichheit der Beleuchtung der Interferenzfilter 52' und 53· bewirken kann, deren Auswirkung von einer Änderung der Meßgröße nicht zu unterscheiden wäre. Wenn, wie in der Figur 10 schematisch angedeutet, die Teilfilter 52· und 53'.eine schmal-streifenförmige Struktur haben oder sektorförmig ausgebildet und, in Richtung der optischen Achse des Meßfühlers 11 gesehen, in azimutaler Richtung verschachtelt sind, derart, daß stets eine größere Anzahl (in einem typischen Fall nicht weniger als 5) von Teilfiltern 52' bzw. 53" jeder Sorte f beleuchtet werden, so ist ein störender Einfluß eventueller DeJustierungen stark herabgesetzt. Ein besonderer Vorteil der anhand der Figur 10 erläuterten verschachtelten Anordnung der Teilfilter 52' und 53' ist die einfachere Art der Herstellung einer solchen Filteranordnung 52', 53'.has the advantage that a possible misalignment of the collimator lens 54 cannot cause a disruptive inequality of the illumination of the interference filters 52 'and 53, the effect of which cannot be distinguished from a change in the measured variable. If, as indicated schematically in FIG. 10, the sub-filters 52 'and 53' have a narrow strip-shaped structure or are sector-shaped and, viewed in the direction of the optical axis of the measuring sensor 11, are nested in the azimuthal direction, in such a way that always one If a larger number (in a typical case not less than 5) of sub-filters 52 'or 53 "of each type f are illuminated, the disruptive influence of possible misadjustments is greatly reduced 'and 53' is the simpler way of producing such a filter arrangement 52 ', 53'.
Wenn nur zwei Interferenzfilter 52 und 53, wie der Figur 9 entnehmbar, benutzt werden, so müssen diese so hergestellt sein, daß die Transmissionsmaxima des einen Filters 52, die die spektrale Lage der Linien des Lichtstromes I- definieren, mit den Transmissionsminima des anderen Interferenzfilters 53 zusammenfallen, wie in der Figur 2(b) dargestellt. Damit diese Bedingungen über den gesamten Spektralbereich By der Lichtquelle hinreichend gut erfüllt ist, ist es notwendig, daß sich die Interferenzordnungen der Teilfilter 52 und 53 bei einer mittleren optischen Frequenz y um eine halbe Ordnung oder ein ungeradzahlig-Vielfaches einer halben Interferenzordnung unterscheiden. Bei separater Herstellung solcher Teilfilter 52 und 53 erfordert aber die Ein-If only two interference filters 52 and 53, like the Figure 9 can be removed, are used, they must be made so that the transmission maxima of the one Filters 52, which define the spectral position of the lines of the luminous flux I-, with the transmission minima of the other interference filter 53 coincide, as shown in Figure 2 (b). So that these conditions over the entire spectral range By of the light source is sufficiently well met, it is necessary that the Interference orders of the sub-filters 52 and 53 at a mean optical frequency y by half an order or an odd multiple of half an interference order differentiate. If such partial filters 52 and 53 are manufactured separately, however, the
Daim 16 65«/4 31.07.1985Daim 16 65 «/ 4 07/31/1985
haltung dieser Bedingung eine sehr genaue Kontrolle der Reflektorabstände der Interferenzfilter 52 und 53.Keeping this condition a very precise control of the reflector spacing of the interference filters 52 and 53.
Im Unterschied dazu kann die gemäß Figur 10 vorgesehene verschachtelte Anordnung der Teilfilter 52' und 53' auf einfache Weise realisiert werden, indem die Filter 52· und 53' aus zwei parallel angeordneten, teildurchlässigen Reflektoren 4 2 und 43 gebildet werden, wobei mindestens einer der beiden Reflektoren, gemäß Figur 10 der Reflektor 43fauf streifenförmigen Bereichen seiner reflektierenden Oberfläche Licht mit einer anderen Reflexionsphase reflektiert als in dazwischenliegenden streifenförmigen Bereichen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß vor dem Aufbringen cl.er teildurchlässigen Reflexionsschicht, die die gesamte reflektierende Oberfläche, z.B. des Reflektors 43 überdeckt, in dessen die Reflexionsschicht tragende Fläche Streifen mit einer Tiefe von /4 (oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon)In contrast to this, the nested arrangement of the sub-filters 52 'and 53' provided according to FIG two reflectors, according to FIG. 10, the reflector 43 f reflects light with a different reflection phase on strip-shaped areas of its reflective surface than in the strip-shaped areas in between. This can be achieved, for example, in that before the application of the partially transparent reflective layer, which covers the entire reflective surface, e.g. of the reflector 43, in the surface of which the reflective layer is supported, strips with a depth of / 4 (or an odd multiple thereof)
eingeätzt werden. Dabei ist"X die der mittleren optischen Frequenz V0 gemäß Figur 2 entsprechende Wellenlänge. Eine andere, hierzu äquivalente Möglichkeit besteht darin, nach dem Aufbringen der Reflexionsschicht srrej-fenförmige Bereiche der Reflektorober- ±lache mit einer transparenten Schicht der Dicke 0/25^ /in-1) zu belegen, wobei mit η der Brechungsindex dieser Schicht bezeichnet ist und der Term (n-1) die optische Verzögerung des Lichtes in den beschichteten Streifen relativ zu den dazwischen liegenden unbeschichteten Streifen berücksichtigt. Diese genanntento be etched. "X" is the wavelength corresponding to the mean optical frequency V 0 according to FIG. 2. Another option, equivalent to this, is, after the reflective layer has been applied, to cover the reflector surface with a transparent layer with a thickness of 0/25 ^ / in-1), where η denotes the refractive index of this layer and the term (n-1) takes into account the optical delay of the light in the coated strips relative to the uncoated strips in between
Daim 16 δΛ/4 31.07.1985Daim 16 δΛ / 4 07/31/1985
VsVs
Möglichkeiten zur Modifikation der Reflexionsphasen, mit denen Licht an den jeweils verschiedenen streifenförmigen Bereichen reflektiert wird, gelten für den Fall, daß die die Reflexionsschichten tragenden Substrate außerhalb des Resonanzvoluroens der "Fabry-Perot-Interferenzfilter angeordnet sind, das heißt die Reflexionsschichten an den einander zugewandten Innenseiten der RefleKtoren 42 und 43 angeordnet sind. Modifikationen, die für den Fa]I erforderlich sind, daß die Reflexionsschichten an den einander gegenüberliegenden Außenseiten eines transparenten Trägers, z.B. einem aus Quarzglas bestehenden Substrat, angeordnet sind, das die Resonanzvolumina der einzelnen Teilfilter 52' bzw. 53' ausfüllt, werden als im Bereich des fachmännischen Könnens liegend angesehen. Bei dem Meßfühler 11 gemäß Figur 10 sind die Teilfilter 52" jeweils durch die erhaben eingezeichneten streifenförmigen Bereiche 44 des einen Reflektors 43 und die diesen gegenüberliegend angeordneten Teilbereiche des Reflektors 42 mit ebener Reflexionsschicht gebildet, während die Teilfilter 53' durch die zwischen den erhabenen, streifenförmigen Bereichen 44 angeordneten, zurückgesetzten streifenförmigen Bereiche 46 und die diesen gegenüberliegend angeordneten Flächenbereiche der ebenen Reflexionsschicht des Reflektors 42 gebildet sind. Die Gesamtkombination der Teilfilter 52' des Meßfühlers 11 gemäß Figur 10 entspricht in ihrer Wirkung derjenigen des Filters 52 gemäß Figur 9. Dasselbe gilt sinngemäß mit Bezug auf die Kombination der Teilfilter 53' gemäß Figur 10 und das Filter 53 gemäß Figur 9.Possibilities to modify the reflection phases, with which light is reflected on the different strip-shaped areas apply to the Case that the substrates carrying the reflective layers outside the resonance volume of the "Fabry-Perot interference filter" are arranged, that is, the reflective layers on the inner sides facing one another the reflectors 42 and 43 are arranged. Modifications that are necessary for the Fa] I, that the reflective layers on the opposite outer sides of a transparent carrier, e.g. a substrate made of quartz glass, which contains the resonance volumes of the individual Partial filter 52 'or 53' fills are considered in the area of professional skill lying down. In the case of the sensor 11 according to FIG. 10, the sub-filters 52 ″ are each through the raised strip-shaped areas 44 of one reflector 43 and the these oppositely arranged partial areas of the reflector 42 are formed with a flat reflective layer, while the sub-filters 53 'are arranged between the raised, strip-shaped areas 44, recessed strip-shaped regions 46 and the surface regions arranged opposite them the flat reflective layer of the reflector 42 are formed. The overall combination of the sub-filters 52 'des The effect of the measuring sensor 11 according to FIG. 10 corresponds to that of the filter 52 according to FIG. 9. The same applies mutatis mutandis to the combination of the sub-filters 53 ′ according to FIG. 10 and the filter 53 according to Figure 9.
Daim 16 65-0/4Daim 16 65-0 / 4
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ι.ι.
Desgleichen entspricht die Gesamtheit der Teillichtströme I^', deren spektrale Zusammensetzung durch die Teilfilter 52' bestimmt ist, dem Teillichtstrom I1 und die Gesamtheit der Teillichtströme I2 1 r deren spektrale Zusammensetzung durch die Teilfilter 53' bestimmt ist, dem Teillichtstrom I2/ dessen spektrale Zusammensetzung durch das Filter 53 des Meßfühlers 11 gemäß Figur 9 bestimmt ist. Entsprechend der streifenförmigen Struktur der Filteranordnung 52', 53' des Meßfühlers 11 gemäß Figur 10 ist auch für dessen transversal verschiebbare Blende 51' eine streifenförmige Gitterstruktur mit abwechselnd opaken Streifen 47 und transparenten StreifenLikewise, the totality of the partial luminous fluxes I ^ ', the spectral composition of which is determined by the partial filters 52', corresponds to the partial luminous flux I 1 and the totality of the partial luminous fluxes I 2 1 r, the spectral composition of which is determined by the partial filters 53 ', corresponds to the partial luminous flux I 2 / the spectral composition of which is determined by the filter 53 of the measuring sensor 11 according to FIG. Corresponding to the strip-shaped structure of the filter arrangement 52 ', 53' of the measuring sensor 11 according to FIG. 10, there is also a strip-shaped lattice structure with alternating opaque strips 47 and transparent strips for its transversely displaceable screen 51 '
■ vorgesehen. Die gemäß Figur 10 vorgesehene Art der Modulation der Teillichtströme 1..' und I2' eignet sich insbesondere für Meßfühler, die primär eine geometrische Verschiebung in X-Richtung erfassen. Bei einer sektorförmigen Gestaltung der Tei!filter 52' und 53' und azimutaler Gruppierung derselben um die zentrale Längsachse Achse 41 des Meßfühlers 11 und einer entsprechend sektorförmigen Gestaltung und Anordnung der opaken und durchlässigen Bereiche der blende b1' und drehbarer Anordnung derselben um die Längsachse 41 kann mit einem solchen Meßfühler ein Drehwinkel erfaßt werden. Derartige Meßfühler können in bekannter Weise auch für die Erfassung anderer physikalischer Meßgrößen ausgenutzt werden: erfolgt z.B. bei dem Meßfühler 11 yemäß Abbildung 10 die transversale Verschiebung der Blende 51' gegen die Rückstellkraft einer linearen Feder, so ist der Meßfühler 11 gemäß Figur 10 als Kraft-Meßfühler■ provided. The type of modulation of the partial luminous fluxes 1 .. 'and I 2 ' provided according to FIG. 10 is particularly suitable for measuring sensors which primarily detect a geometric displacement in the X direction. With a sector-shaped design of the partial filters 52 'and 53' and azimuthal grouping of these around the central longitudinal axis 41 of the sensor 11 and a corresponding sector-shaped design and arrangement of the opaque and permeable areas of the diaphragm b1 'and rotatable arrangement of the same around the longitudinal axis 41 an angle of rotation can be detected with such a sensor. Such measuring sensors can also be used in a known manner for the acquisition of other physical measured variables: if, for example, in the case of measuring sensor 11 according to FIG. Probe
Daim 16 6 ft/4-Daim 16 6 ft / 4-
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_ 50- _ 50-
geeignet. Erfolgt die Drehbewegung einer sektortörmig gestalteten Blende bei einem Meßfühler mit sektor-förmig ausgebildeten Interferenzfiltern gegen die Rückstellkraft einer Torsionsfeder, so ist ein solcher primär für die Erfassung eines Drehwinkels geeigneter Sensor als Drehmoment-Sensor benutzbar.suitable. If the rotary movement takes place in a sector-shaped manner designed aperture in a sensor with sector-shaped interference filters against the restoring force of a torsion spring, then such is primarily for the detection of an angle of rotation suitable sensor can be used as a torque sensor.
Zahlreiche Sensoren für weitere Größen, wie Temperatur, Druck, elektrische oder magnetische Felder können in entsprechender Weise durch Verwendung von Ausdehnungskörpern, Membranen oder von piezoelektrischen oder magnetostriktiven Körpern, durch deren Meßgrößen-proportionale Verformung die Blenden-Bewegungen steuerbar sind1, realisiert werden.Numerous sensors for other variables such as temperature, pressure, electrical or magnetic fields can be implemented in a corresponding manner by using expansion bodies, membranes or piezoelectric or magnetostrictive bodies, the diaphragm movements can be controlled by their deformation proportional to the measured variables 1 .
Bei dem in der Figur 11, auf deren Einzelheiten nunmehr verwiesen sei, dargestellten Meßfühler 11 ist ein funktionell den vorstehend erläuterten Filterpaaren mit Teilfiltern 52 und 53 bzw. 52' und 53' entsprechendes Filterpaar 15' mit Hilfe eines einzigen konstruktiven Elementes realisiert, das als Interferenzfilter m der Art eines Fabry-Perot-Interferometers ausgebildet ist. Dieses Interferenzfilter 15' ist wie das Interferenzfilterpaar 15, 52, 53 gemäß Figur 9 und die Interferenzfilter-Kombination 52', 53' gemäß Figur 10 zwischen einer Kollimator-Linse 54 und einer Sammellinse 55 angeordnet. uie den Res'onatorraum 62 begrenzenden, teildurchlässigen Reflektoren und 64 haben ebene Reflexionsflächen 66 bzw. 67. Der sich zwischen diesen Reflexionsflächen 66 und 67 er-In the case of the sensor 11 shown in FIG. 11, the details of which are now referred to, a filter pair 15 'which corresponds functionally to the filter pairs explained above with partial filters 52 and 53 or 52' and 53 'is realized with the aid of a single structural element which is used as Interference filter m is designed as a Fabry-Perot interferometer. This interference filter 15 ', like the pair of interference filters 15, 52, 53 according to FIG. 9 and the interference filter combination 52', 53 'according to FIG. 10, is arranged between a collimator lens 54 and a collecting lens 55. e ui the 62 Res'onatorraum limiting, partially transparent reflectors and 64 have flat reflection surfaces 66 and 67. The ER- located between these reflection surfaces 66 and 67
streckende Resonatorraum ist mit einem plattenförmigen Körper aus einem transparenten, doppelbrechenden Material •ausgefüllt. Die in Lichtausbreitungsrichtung 41 gesehen den Abstand der Reflexionsflächen 66 und 67 bestimmende Dicke des doppelbrechenden Körpers ist so gewählt, daß für zwei zueinander orthogonale Polar i-· sationszustände eines durch den doppelbrechenden Körper 68 hindurchtretenden Lichtstromes in dessen einem Polarisationszustand eine Verzögerung von etwa einer Viertel-Wellenlänge relativ zu dem anderen der beiden Polarisatxonszustände . besteht. Der in dieser Weise dimensionierte doppelbrechende Körper stellt dann eine sogenannte Viertel-Wellen-Platte dar. Dies hat zur Folge, daß ' von diesem Körper 68 und den außerhalb angeordneten Reflexionsschichten 66 und 67 ein Interferenzfilter gebildet wird, dessen Transmissions-Charakteristiken sich für zwei orthogonale Polarisationszustände gerade um eine halbe Ordnung unterscheiden, wie in Abbildung 2(b) dargestellt. Es versteht sich, daß anstelle eines doppelbrechenden Körpers 68, der zwischen orthogonalen Polarisationszuständen eine Verzögerung von einer Viertel-Wellenlänge vermittelt, auch ein doppelbrechender Körper 68 benutzt werden kann, der eine Verzögerung vermittelt, die einem ungeradzahlig-Vielfachen einer Viertel-Wellenlänge entspricht.stretching resonator chamber is with a plate-shaped Body made of a transparent, birefringent material • filled. The seen in the direction of light propagation 41 the thickness of the birefringent body, which determines the distance between the reflective surfaces 66 and 67, is selected so that that for two mutually orthogonal polar i- sationsbedingungen of a light flux passing through the birefringent body 68 in one of them Polarization state has a delay of about a quarter wavelength relative to the other of the two States of polarization. consists. The birefringent body dimensioned in this way then represents a so-called quarter-wave plate. This has the consequence that 'of this body 68 and the outside arranged Reflection layers 66 and 67 an interference filter is formed, its transmission characteristics differ by just half an order for two orthogonal polarization states, as in Figure 2 (b) shown. It is understood that instead of a birefringent Body 68, which between orthogonal polarization states a delay of a quarter wavelength mediated, a birefringent body 68 can also be used, which mediates a delay, which corresponds to an odd multiple of a quarter wavelength.
Die insoweit erläuterte Kombination zweier Fabry-Perot-Interferenzfilter zu einem einzigen mit orthogonalen Polarisations-Eigenzuständen kann sowohl mit linearer als auch mit zirkularer Doppelbrechung des den Resonator-The combination of two Fabry-Perot interference filters explained so far to a single with orthogonal polarization eigenstates can be both with linear as well as with circular birefringence of the resonator
ρ- c\ Daim 16 δΛ/4ρ- c \ Daim 16 δΛ / 4
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raum 62 erfüllenden, doppelbrechenden Körpers 68 erzielt werden, wobei die Eigenzustände diesen Polarisationen entsprechen. Der.praktisch besonders einfache Fall linear polarisierter Eigenzustände kann auch ohne Verwendung doppelbrechender Materialien dadurch erreicht werden, daß mindestens einer der Reflektoren und/oder 64 des Interferenzfilters 15' so ausgebildet ist, daß die Reflexionsphase bei senkrechtem Lichteinfall polarisationsabhängig wird. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß auf diesen Reflektor ein dielektrisches oder metallisches Relief-Strichgitter aufgebracht wird, dessen Gitterperiode kleiner ist als die zur Meßwert-Übertragung ausgenutzten Lichtwellenlängen. Die Modulationstiefe und die Periode solcher Strichgitter müssen so gewählt werden, daß der Unterschied der Reflexionsphasen für Licht, das parallel bzw. senkrecht zu den Gitterstrichen polarisiert ist, insgesamt 180° beträgt, um eine Verschiebung der für die beiden Polarisationszustände wirksamen Transmissions-Charakteristiken um eine halbe Interferenzordnung zu gewährleisten. Sind beide Reflektoren 63 und 64 des Interferenzfilter 15' mit solchen Strichgittern versehen, so können diese so ausgebildet sein, daß jedes der beiden Strichgitter mit beispielsweise 90° zu dem Unterschied der Reflexionsphasen beiträgt.space 62 filling, birefringent body 68 is achieved where the eigen-states correspond to these polarizations. The practical, particularly simple one The case of linearly polarized eigenstates can also be achieved without using birefringent materials are such that at least one of the reflectors and / or 64 of the interference filter 15 'is formed is that the reflection phase with normal incidence of light becomes polarization dependent. This is possible, for example, that on this reflector dielectric or metallic relief grating is applied, the grating period of which is smaller than the light wavelengths used for the transmission of measured values. The modulation depth and the period of such Line grids must be chosen so that the difference in reflection phases for light that is parallel or is polarized perpendicular to the grating lines, a total of 180 ° to shift the for the two polarization states have effective transmission characteristics by half an interference order to ensure. Are both reflectors 63 and 64 of the interference filter 15 'with such line gratings provided, they can be designed so that each of the two line grids with, for example 90 ° contributes to the difference in the reflection phases.
Zur weiteren Erläuterung der mittels des Meßfühlers gemäß Figur 11 durchführbaren Art der Modulation sei angenommen, daß das Interferenzfilter 15' zwei Eigenzustände linearer Polarisation hat, deren Schwingungsrichtungen parallel und senkrecht zurTo further explain the type of modulation that can be carried out by means of the measuring sensor according to FIG it is assumed that the interference filter 15 'has two eigenstates of linear polarization, whose Oscillation directions parallel and perpendicular to
/ 29 / 29
Daim 16 sSo/4 Daim 16 sSu / 4
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Zeichenebene orientiert sind. Dementsprechend sind dann auch die von diesem Filter 15' ausgehenden Teillichtströme I- und 1~ linear und parallel zu diesen Richtungen polarisiert, sind aber nicht räumlich getrennt, sondern breiten sich in demselben Raumbereich und in derselben Richtung aus. Zur - gegensinnigen - Modulation dieser Teillichtströme I- und I„ ist ein linearer Polarisations-Analysator 60 vorgesehen, der zwischen dem Interferenztilter 15' und der Sammellinse 55 des Meßfühlers 11 angeordnet ist. Ist dieser Polarisator bezüglich der Zeichenebene auf ein Azimut cC eingestellt, so läßt er von den beiden Teillichtströmen In und I0 nur die Bruchteile COS t>C bzw. Sm ck passieren und kodiert somit seine azimutale Winkelstellung in das Leistungsverhältnis dieser Lichtströme. Der in der Figur 11 dargestellte Meßfühler ist daher insbesondere zu einer faseroptischen Winkelmessung geeignet. Die Messung zahlreicher anderer physikalischer Größen läßt sich, wie schon ausgeführt, durch Kombination mit Meßgrößenempfindlichen Wandler-Elementen durchführen. Are oriented to the drawing plane. Correspondingly, the partial luminous fluxes I- and 1 ~ emanating from this filter 15 'are then also polarized linearly and parallel to these directions, but are not spatially separated, but spread in the same spatial area and in the same direction. A linear polarization analyzer 60, which is arranged between the interference filter 15 'and the converging lens 55 of the measuring sensor 11, is provided for modulating these partial luminous fluxes I and I "in opposite directions. If this polarizer adjusted with respect to the plane on an azimuth cC, he leaves from the two partial light currents I n and I 0 only fractions of COS t> C or Sm ck happen and thus encodes its azimuthal angle position in the power ratio of luminous flux. The sensor shown in FIG. 11 is therefore particularly suitable for a fiber optic angle measurement. As already stated, the measurement of numerous other physical quantities can be carried out by combining them with transducer elements that are sensitive to the measured quantities.
Der in der Figur 12, auf deren Einzelheiten nunmehr verwiesen sei, dargestellte Meßfühler eignet sich insbesondere zur Messung von Kräften. Er unterscheidet sich von dem Meßfühler gemäß Figur 11 im wesentlichen dadurch, daß zwischen dem Interrerenzfilter 15' und dem Analysator 60 ein spannungsoptisches Element 61 angeordnet ist, das durch Einwirkung einer Kraft mit. definierter Angriffsr-ichtung doppelbrechend wird. Die Angriffsrichtung der Kraft und die Anordnung dieses spannungs-optischen Elements 61 wird zweckmäßigerweiseThe one in FIG. 12, the details of which are now referred to The sensor shown is particularly suitable for measuring forces. He is different of the sensor according to Figure 11 essentially in that between the interference filter 15 'and the Analyzer 60, a stress-optical element 61 is arranged, which by the action of a force with. defined direction of attack becomes birefringent. The direction of application of the force and the arrangement of this optical tension element 61 is expedient
Daim 16Daim 16
SV-SV-
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so gewählt, daß die Dpppelbrechungs-Hauptachsen unter der Einwirkung der Kraft Azimute von + 45° haben, wobei der Analysator zweckmäßigerweise auf das Azimut oC = O fest eingestellt bleibt. Wenn der elasto-optische Körper 61 im kräftefreien Fall frei von Doppelbrechung ist, so beeinflußt er die beiden orthogonal polarisierten Lichtströme nicht, mit der Folge, daß der eine Teillichtstrom I- durch den Analysator 60 ungeschwächt hindurchtreten .kann, während der andere Teillichtstrom I2 gesperrt wird. Wirkt eine Kraft P in Richtung des Pfeils 69 auf den elasto-optischen Körper 61, so werden dadurch die beiden Teillichtströme I- und I2 mehr und mehr elliptisch polarisiert, mit der Folge, daß der Analysator 60 den einen Teillichtstrom I1 zunehmend schwächt, den anderen Teillichtstrom I2 aber zunehmend passieren läßt. Erreicht die Kraft eine solche Größe, daß die Retardierung im elastooptischen Körper 61 den Wert TT hat, so wird der Teillichtstrom I vollständig gesperrt und der Teillichtstrom I2 völlig durchgelassen. Der Meßfühler 11 gemäß Figur 12 ist somit geeignet, eine Kraft P in das Verhältnis der Leistungen von Teillichtströmen I- und 1"2 verschiedener Polarisation zu kodieren.chosen so that the double refraction main axes have azimuths of + 45 ° under the action of the force, the analyzer expediently remaining fixed to the azimuth oC = O. If the elasto-optical body 61 is free of birefringence in the force-free case, it does not influence the two orthogonally polarized light fluxes, with the result that one partial light flux I- can pass through the analyzer 60 without being weakened, while the other partial light flux I 2 is blocked. If a force P acts in the direction of the arrow 69 on the elasto-optical body 61, the two partial luminous fluxes I and I 2 are more and more elliptically polarized, with the result that the analyzer 60 increasingly weakens one partial luminous flux I 1, but lets the other partial luminous flux I 2 pass increasingly. If the force reaches such a size that the retardation in the elasto-optical body 61 has the value TT, the partial luminous flux I is completely blocked and the partial luminous flux I 2 is completely allowed through. The sensor 11 according to FIG. 12 is thus suitable for encoding a force P in the ratio of the powers of partial luminous fluxes I and 1 ″ 2 of different polarization.
Bei den vorstehend anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen alternativen Typen von Meßwertaufnehmern lOObzw. 100', in deren Rahmen, je nach Einsatzzweck solcher Meßwertaufnehmer die anhand der Figuren 5-12 erläuterten Meßfühler 11 einsetzbar sind, werden diese Meßfühler in Transmission betrieben, was.in praxi zur Folge hat, daß eine erste optische Faser 12 vorgesehen sein muß, überIn the alternative types of transducers 100 or 10 described above with reference to FIGS. 100 ', within the framework of such transducers, depending on the intended use the sensors 11 explained with reference to FIGS. 5-12 can be used, these sensors are shown in FIG Transmission operated, what.in practice has the consequence that a first optical fiber 12 must be provided over
Daim 16 6^tf/4 Daim 16 6 ^ tf / 4
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die Ausgangslichtströme einer Lichtquelle 14 oder eines Lichtversorgungsgerätes 18, 30, 31 dein Meßfühler 11 zuführbar sind, sowie eine zweite optische Faser 13, über welche Teillichtströme I. und I2 definiert verschiedener spektraler Zusammensetzung, deren Intensitätsverhältnis 1./I2 die Meßwert-Information enthält, einer zu deren Auswertung in Einheiten der Meßgröße vorgesehenen Auswertestufe 10 bzw. 10· zuführbar sind.the output luminous fluxes of a light source 14 or a light supply device 18, 30, 31 can be fed to the sensor 11, as well as a second optical fiber 13, via which partial luminous fluxes I. and I 2 define different spectral compositions, the intensity ratio of which is 1./I 2, the measured value information contains, can be fed to an evaluation stage 10 or 10 · provided for their evaluation in units of the measured variable.
Alternativ zu solchen Meßwertaufnehmern 100 bzw. 100" können auch Meßwertaufnehmer 110 bzw. 1101 als Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden , die ihrem grundsätzlichen Aufbau nach in den Figuren 13 und 14, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, dargestelllt sind und im Reflexionsmodus betreibbare Meßwertfühler 111 haben, welche mit den den Figuren .15 - 20, auf deren E iizelheiten ebenfalls verwiesen sei, entnehmbaren Gestaltungen und funktioneilen Eigenschaften realisierbar-sind.As an alternative to such transducers 100 or 100 ″, transducers 110 or 110 1 can also be used as devices for carrying out the method according to the invention, the basic structure of which is shown in FIGS Measurement sensors 111 which can be operated in reflection mode and which can be implemented with the designs and functional properties that can be taken from FIGS. 15-20, the details of which are likewise referred to.
Soweit in den Fig.13-20 Bezugszeichen verwendet werden,die mit in den Figuren 1-12 verwendeten Bezugszeichen identisch sind, soll dadurch auch gleichzeitig, um Wiederholungen zu vermeiden, auf die zu den identisch bezeichneten Elementen der Figuren 1-12 gehörenden Beschreibungsteile verwiesen sein, sodaß die Beschreibung der in den Figuren 13 und 14 dargestellten Meßwertaufnehmer 110 bzw. 110' sowie der in den Figuren 15-20 dargestellten Meßfühler 111 im wesentlichen auf funktionelle Eigenschaften der dargestellten Einrichtungen und und einen Vergleich derselben mit den vorstehend beschriebenen, funktionell analogen Einrichtungen beschränkt werden kann. Im UnterschiedTo the extent that reference numerals are used in FIGS are identical to the reference symbols used in FIGS. 1-12, should thereby also be used at the same time to avoid repetitions to avoid referring to the parts of the description belonging to the identically labeled elements in FIGS. 1-12 be referenced, so that the description of the transducers 110 and 110 'shown in Figures 13 and 14 as well as the measuring sensor 111 shown in FIGS. 15-20 essentially for functional properties of the illustrated devices and a comparison of the same with the functionally analogous ones described above Facilities can be restricted. In the difference
Daim 16 31.07.1985Daim 16 07/31/1985
zu den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Meßwertaufnehmern 100 bzw. 1001 die zwischen der Lichtquelle 14 bzw. dem Lichtversorgungsgerät 18f 31, 30 einerseits und dem jeweiligen Meßfühler 11 andererseits eine Einkoppel-Schnittstelle haben, als welche z.B. das Meßfühler-seitige Ende der ersten optischen Faser 12 aufgefaßt werden kann, und bei denen zwischen dem jeweiligen Meßfühler 11 und dem Auswertegerät 10 bzw. 10' eine weitere, als Auskoppel-Schnittstelle bezeichnete optischeuSchnittstelle vorgesehen ist, als welche z.B. das vom jeweiligen Meßfühler entfernt angeordnete Ende der zweiten, vom Meßfühler 11 zum Auswertegerät 10 bzw. 10' führenden optischen Faser 13 aufgefaßt werden kann, ist bei den in den Figuren 13 und 14 dargestellten Meßwert-Aufnehmern 110 bzw. 1101 zwischen der Lichtquelle 14 gemäß Fig. 13 bzw. dem Lichtversorgungsgerät 18, 30, 31 gemäß Fig. 14 und dem jeweiligen Meßfühler 111 einerseits und zwischen diesem und dem Auswertegerät 10 bzw. 10" andererseits jeweils nur eine gemeinsame optische Ein-/ Auskoppel-Schnittstelle vorgesehen, die hier durch das von dem jeweiligen als Reflexionseinheit ausgebildeten Meßfühler 111 entfernt angeordnete Ende 1Φ3 einer einzigen optischen Faser 112 gebildet ist, über die sowohl Licht in den jeweiligen Meßfühler 111 einkoppelbar als auch die von diesem zurückreflektierten, intensitätsmodulierten Teillichtströme I1 und I2 zum Auswertegerät 10 bzw. 10· nin auskoppelbar sind. to the transducers 100 and 100 1 shown in Figures 3 and 4, which have a coupling interface between the light source 14 or the light supply device 18 f 31, 30 on the one hand and the respective sensor 11 on the other hand, as which, for example, the sensor-side end of the first optical fiber 12, and in which between the respective measuring sensor 11 and the evaluation device 10 or 10 'a further optical interface, referred to as a decoupling interface, is provided, as which, for example, the end of the second, remote from the respective measuring sensor, from the sensor 11 to the evaluation device 10 or 10 'leading optical fiber 13 is, in the case of the transducers 110 and 110 1 shown in FIGS. 13 and 14, between the light source 14 according to FIG. 13 and the light supply device 18, 30, 31 according to FIG. 14 and the respective measuring sensor 111 on the one hand, and between this and the evaluation device 10 or 10 '' on the other hand, in each case n Only a common optical coupling / decoupling interface is provided, which is formed here by the end 1Φ3 of a single optical fiber 112, which is arranged at a distance from the respective measuring sensor 111, which is designed as a reflection unit, via which both light can be coupled into the respective measuring sensor 111 and that from These back-reflected, intensity-modulated partial light currents I 1 and I 2 can be coupled out to the evaluation device 10 or 10 · nin.
Zur optischen "Trennung" der solchermaßen zusammenfallenden Einkoppel- und Auskoppel-Schnittstellen ist in für sich bekannter Anordnung ein teildurchlässiger Spiegel 23 vorgesehen, durch den im Falle der Fig. 13 ein von der Licht-The optical "separation" of the coupling and decoupling interfaces that coincide in this way is in itself known arrangement a partially transparent mirror 23 is provided, through which, in the case of FIG.
Daim 16 - 5f - 31.07.1985Daim 16 - 5f - 07/31/1985
quelle 14 ausgehender Brimärlichtstrora I - teilweise hindurchtreten und in die optische Faser 112 eingekoppelt werden kann, und mittels dessen am Faserende 113 vom Meßfühler 111 her ankommende Teillichtströme I1 und I2, in deren Intensitätsverhältnis die Meßwert-Information kodiert ist, zum Auswertegerät 10 hin umgelenkt werden können.source 14 outgoing Brimärlichtstrora I - can partially pass through and be coupled into the optical fiber 112, and by means of which at the fiber end 113 from the sensor 111 coming partial luminous fluxes I 1 and I 2 , in whose intensity ratio the measured value information is coded, to the evaluation device 10 can be diverted.
Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 14 werden von dem Lichtversorgungsgerät 18, 30, 31 ausgehende spektralverschachtelte Teallichtströme durch den teildurchlässigen Spiegel 23 zu dem diesem unmittelbar benachbarten Faserende 113 hin umgelenkt und in die optisc h e Faser 112 eingekoppelt, während von dem jeweiligen Meßfühler 111 ausgehende Teillichtströme I. und I2, in deren Intensitätsverhältnis die Meßwert-Information kodiert ist, durch den teildurchlässigen Spiegel 23 hindurchtreten und auf den Detektor 35 des Auswertegeräts 10' auftreffen können.In the case of the embodiment according to FIG. 14, spectrally interleaved teal light fluxes emanating from the light supply device 18, 30, 31 are deflected by the partially transparent mirror 23 to the fiber end 113 immediately adjacent to it and coupled into the optical fiber 112, while emanating from the respective sensor 111 Partial luminous fluxes I. and I 2 , in whose intensity ratio the measured value information is coded, pass through the partially transparent mirror 23 and can impinge on the detector 35 of the evaluation device 10 '.
Damit sind, agb,esehen von speziellen Gestaltungen der die jeweiligen Meßfühler 111 bildenden Reflexionseinheiten die baulichen Unterschiede der Meßwertaufnehmer und 110' gemäß den Figuren .13 und 14 gegenüber dem funktionsanalogen Meßwertaufnehmer 100 bzw. 100' gemäß den Figuren 3 und 4 erschöpft. Insbesondere können die im Rahmen der Meßwertaufnehmer 110 und 110" vorgesehenen Auswertegeräte 10 bzw. 10' denselben Aufbau haben wie anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben.Thus, general terms and conditions, there are special designs of the the reflection units forming the respective measuring sensors 111, the structural differences of the measuring transducers and 110 'according to Figures .13 and 14 compared to the functionally analog transducer 100 or 100 'according to Figures 3 and 4 exhausted. In particular, those provided within the scope of the transducers 110 and 110 ″ Evaluation devices 10 and 10 'have the same structure as described with reference to FIGS. 3 and 4.
Weitere Erläuterungen können daher auf die speziellen Gestaltungen von Meßfühlern 111, wie in Einzelheiten in den Figuren 15-20 dargestellt, beschränkt werden:Further explanations can therefore be drawn on the special designs of sensors 111, as described in detail in FIG shown in Figures 15-20, are limited:
/H3/ H3
Daim 16 65*/4Daim 16 65 * / 4
31.07.198507/31/1985
Bei dem in der Fig. 15 dargestellten Meßfühler 111 dient ein insgesamt mit 15 bezeichnetes Filterpaar sowohl zur spektralen Zerlegung eines z.B. von der Lichtquelle 14 ausgesandten Primärlichtstromes I in die beiden spektral verschachtelten Teillichtströme I1 und I2 als auch zu deren Wiedervereinigung, nachdem diese Teillichtströme I1 und I2 an diesen einzeln zugeordneten Reflektoren und 116 in sich selbst zurückgeworfen worden sind und mindestens einer der beiden Teillichtströme, z.B. der Teillichtstrom I- einer der Meßgröße χ entsprechenden Modulation seiner Intensität, z.B. mittels eines Graukeils 17 oder einer Blende unterworfen worden ist. Der Meßfühler 111 ist seinem Aufbau und seiner Funktion nach dem in der Fig. 7 dargestellten Meßfühler 11 weitgehend analog.In the case of the sensor 111 shown in FIG. 15, a pair of filters denoted as a whole by 15 serves both for the spectral splitting of a primary luminous flux I emitted by the light source 14 into the two spectrally interleaved partial luminous fluxes I 1 and I 2 as well as their reunification after these partial luminous fluxes I 1 and I 2 have been thrown back into themselves at these individually assigned reflectors and 116 and at least one of the two partial luminous fluxes, e.g. the partial luminous flux I- has been subjected to a modulation of its intensity corresponding to the measured variable χ, e.g. by means of a gray wedge 17 or a diaphragm . The construction and function of the measuring sensor 111 is largely analogous to the measuring sensor 11 shown in FIG.
Der in der Fig. 16 dargestellte Meßfühler 111 ist nach Aufbau und Funktion mit den in den Figuren 6 oder 8 dargestellten Meßfühlern 11 für Transmissionsbetrieb vergleichbar: The sensor 111 shown in FIG. 16 is after Structure and function comparable to the sensors 11 shown in FIGS. 6 or 8 for transmission operation:
Eine Modulationseinrichtung 16 steuert in Abhängigkeit von der Meßgröße χ die Aufteilung eines Primärlichtstromes I in Teillichtströme 1' und I11. Diese durchlaufen je zweimal, d.h. einmal in vorwärts- und einmal in Rückwärtsrichtung ein Transmissionsfilterpaar 15, dessen gemeinsamer Arm 117 , in dem sich die Teilströme I1 und mit spektral-verschachtelter Zusammensetzung ausbreiten, mittels eines Reflektors 1T8 abgeschlossen ist.A modulation device 16 controls the division of a primary luminous flux I into partial luminous fluxes 1 'and I 11 as a function of the measured variable χ. These pass twice each, ie once in the forward and once in the reverse direction, a transmission filter pair 15, the common arm 117 of which, in which the partial currents I 1 and propagate with a spectrally interleaved composition, is closed off by means of a reflector 1T8.
Die in dem gemäß Fig. 16 "oberen" und "unteren" zu dem Modulator 16 hin zurücklaufenden Lichtströme I1 und I2 haben dann alternativ die durch die Einzelfilter des The luminous fluxes I 1 and I 2 returning to the modulator 16 in the "upper" and "lower" according to FIG
Daim 16 65«/4 31.07.1985Daim 16 65 «/ 4 July 31, 1985
.59-.59-
Filterpaares 15 definierten, in der Frequenzskala ineinander verschachtelten spektralen Zusammensetzungen. In dem Modulator 16 werden diese Lichtströme I1 und I-entsprechend dem Teilungsverhältnis dieses Modulators wieder miteinander vereinigt und in die optische Faser 112 eingekoppelt.Filter pairs 15 defined, in the frequency scale, nested spectral compositions. In the modulator 16, these luminous fluxes I 1 and I - are combined again with one another in accordance with the division ratio of this modulator and are coupled into the optical fiber 112.
Der in der Fog. 17 dargestellte Meßfühler 111 entspricht baulich und funtionell weitestgehend demjenigen gemäß Fig. 16, wobei allerdings im Unterschied zu diesem anstelle eines Filterpaares 15 mit gemeinsamem Arm 117 Einzelfilter 119 und 121 vorgesehen sind, die den zum Modulator 16 hin zurückgeworfenen Teillichtströmen I1 und I2 die genannten, verschachtelten, spektralen Zusammensetzungen aufprägen, wobei diese Einzelfilter je einzeln durch einen in das jeweilige Filter integrierten Reflektor 1141 bzw. H61 abgeschlossen sind.The one in the fog. 17 is structurally and functionally largely the same as that according to FIG. 16, but in contrast to this, instead of a pair of filters 15 with a common arm 117, individual filters 119 and 121 are provided, which reflect the partial luminous fluxes I 1 and I 2 thrown back to the modulator 16 imprint said, nested, spectral compositions, these individual filters each being individually closed by a reflector 114 1 or H6 1 integrated into the respective filter.
In der Fig. 18 ist eine spezielle Gestaltung eines Meßfühlers 111 dargestellt, der seinem grundsätzlichen Aufbau nach dem in der Fig. 17 dargestellten Bau- und Funxtionsprinzip entspricht.In Fig. 18 is a specific design of a sensor 111 shown, its basic structure according to the construction and funxtionsprinzip shown in FIG is equivalent to.
Ein aus der optischen Faser 112 in den Meßfühler 112 gemäß Fig. 18 eingekoppelter Primärlichtstrom I wird mittels der Linse b4 kollimiert. Eine in Abhängigkeit von der Meßgröße x transversal zur optischen Achse 41 des: Meßfühlers 111 verschiebbare Spalt- oder Lochblende vermittelt in Abhängigkeit von der Meßgröße χ eine gegensinnige Variation der Intensitäten der sich in den gemäß Fig 18 "oberen" und "unteren" Bereichen des Lichtflußquerschnittes ausbreitenden Lichtströme. Jedem dieserOne from the optical fiber 112 into the probe 112 according to FIG 18 coupled in primary luminous flux I is determined by means of the lens b4 collimates. Depending on the measured variable x transversely to the optical axis 41 of: Sensor 111 displaceable slit or perforated diaphragm gives an opposite direction depending on the measured variable χ Variation of the intensities of the "upper" and "lower" areas of the light flux cross section according to FIG spreading luminous fluxes. Each of these
Daim 16 31.07.1985Daim 16 07/31/1985
Teilbereiche ist ein Reflexionsfilter 119 bzw. 121 zugeordnet, das den einfallenden Lichtstrom in sich selbst zurückreflektiert. Beim dargestellten,speziellen Ausführungsbeispiel sind die Reflexionsfilter 119 und 121 als Bragg-Reflektoren hoher Ordnung ausgebildet. Ein derartiger Reflektor besteht aus einer größeren Anzahl ( mindestens fünf, gegebenenfalls aber 20 und mehr ) schwach reflektierender Teilreflektoren 123 bzw. 124, die, in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtes gesehen, in gleichen Abständen d., bzw. d„ hintereinander angeordnet sind. Hat der Abstand dieser Reflektoren, z.B. der Reflektoren 123 den Wert d.. und der Brechungsindex des Mediums zwischen diesen Reflektoren 123 den Wert n.. so beträgt der Abstand AV spektral benachbarter Reflexionsmaxima (vgl. Fig. 2 )Partial areas are assigned a reflection filter 119 or 121, which reflects the incident light flux back into itself. In the special embodiment shown, the reflection filters 119 and 121 are designed as high-order Bragg reflectors. Such a reflector consists of a larger number (at least five, but possibly 20 and more) weakly reflecting partial reflectors 123 or 124, which, viewed in the direction of propagation of the incident light, are arranged one behind the other at equal intervals d. Or d ". If the distance between these reflectors, for example the reflectors 123, has the value d .. and the refractive index of the medium between these reflectors 123 has the value n .. then the distance AV between spectrally adjacent reflection maxima is (cf. FIG. 2)
wobei AV in Wellenzahlen ( cm ) ausgedrückt ist. Die
erforderliche spektrale Verschachtelung der von den Reflexionsfiltem119 und 121 zurückgeworfenen Teillachtströme
I1 und I„ wird dadurch erzielt, daß - bei gleichen
Werten der Brechungsindizes der zwischen den Reflektoren 123 und 124 der Reflexionsfilter 119 und 121 angeordneten
Medien - die Abstände d der Teilreflektoren 123 des einen
Reflexionsfilters 119 einen anderen Wert haben als die
Abstände
filters.where AV is expressed in wave numbers (cm). The required spectral interleaving of the partial night currents I 1 and I "thrown back by the reflection filters 119 and 121 is achieved in that - given the same values of the refractive indices of the media arranged between the reflectors 123 and 124 of the reflection filters 119 and 121 - the distances d of the partial reflectors 123 des a reflection filter 119 have a different value than the distances
filters.
Abstände d2 der Teilreflektoren 124 des anderen Reflexions·Distances d 2 of the partial reflectors 124 of the other reflection
Es versteht sich, daß es auch möglich ist, die erwünscht verschiedenen Reflexionscharakterisiken der beiden Reflexionsfilter 119 und 121 dadurch zu erzielen, daß bei gleichen Reflektorabständen d. und d2 die Brechungsindizes n.It goes without saying that it is also possible to achieve the desired different reflection characteristics of the two reflection filters 119 and 121 in that, given the same reflector spacings, d. and d 2 the refractive indices n.
Daim 16 6ffO/4 31.07.1985Daim 16 6ffO / 4 July 31, 1985
• 6A- • 6A-
und n2 der zwischen den Reflektoren 123 bzw. 124 angeordneten Medien verschieden sind.and n 2 of the media disposed between reflectors 123 and 124, respectively, are different.
Auch bei dem in der F ig.19 dargestellten, als Reflexionseinheit wirkenden Meßfühler 111 wird ein aus der optischen Faser 112 eingekoppelter Priroärlichtstrom I mittels einer Kollimationslinse 54 in ein Parallelbündel umgewandelt, das mittels eines als Bragg-Reflektor ausgebildeten Reflexionsfilters 126 in sich selbst zurückgeworfen wird. Die Teilreflektoren 127 dieses Reflexionsfilters sind aus einem doppelbrechenden Material hergestellt, sodaß Licht mit linearer Polarisation parallel und senkrecht zur Zeichenebene verschiedene Brechungsindizes "sieht" und somit die durch verschiedene Polarisations zustände charakterisierten, von dem Reflexionsfilter 126 zurückgeworfenen Teillichtströme I- und I2 die erforderliche, in der Frequenzskala verschachtelte spektrale Zusammensetzung haben. Zwischen dem Reflexionsfilter 126 und der Kollimationslinse 54 ist ein in Abhängigkeit von der Meßgröße um die zentrale Achse /drehbarer Polarisator 128 angeordnet, der das Transmissionsverhältnis der durchgelassenen Anteile verschiedener Polarisation bestimmt, wobei die azimutale Position dieses Polarisators 128 in Proportionalität zur Meßgröße χ veränderlich ist.In the case of the measuring sensor 111 shown in FIG. 19 and acting as a reflection unit, a primary luminous flux I coupled in from the optical fiber 112 is converted into a parallel bundle by means of a collimation lens 54, which is reflected back into itself by means of a reflection filter 126 designed as a Bragg reflector . The partial reflectors 127 of this reflection filter are made of a birefringent material so that light with linear polarization parallel and perpendicular to the plane of the drawing "sees" different refractive indices and thus the partial luminous fluxes I and I 2, which are characterized by different polarization states and reflected by the reflection filter 126, have nested spectral composition in the frequency scale. Between the reflection filter 126 and the collimation lens 54 there is a polarizer 128 which can be rotated around the central axis / rotated depending on the measured variable and determines the transmission ratio of the transmitted components of different polarizations, the azimuthal position of this polarizer 128 being variable in proportion to the measured variable χ.
Der Meßfühler 111 ist seiner Funktion nach dem in der tig. 11 dargestellten, polarisationsoptischen Meßfühler 11 analog.The sensor 111 is its function according to that in the tig. 11 shown, polarization optical sensor 11 analog.
Der in der Fig. 20 dargestellte Meßfühler 111 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 19 lediglich dadurch, daß der Polarisator 128 eine vorgegebene azimutale Einstel-The sensor 111 shown in FIG. 20 differs from that according to FIG. 19 only in that the polarizer 128 has a predetermined azimuthal setting
Daim 16 6Λ/4 31.07.1985Daim 16 6Λ / 4 July 31, 1985
lung hat (z.B. 45 bezüglich der Zeichenebene), und daß zwischen dem Polarisator 128 und deir» wiederum als Bragg-Reflektor ausgebildeten Reflexionsfilter ein elasto-optischer Körper 129 angeordnet ist, der eine zur Meßgröße proportionale Doppelbrechung entfaltet und dadurch eine Modulation der Polarisation des vom Polarisator 128 durchgelassenen Lichtes vermittelt. Es versteht sich dabei, daß bei der vorgegebenen Orientierung des Polarisators auch die optischen Achsen des Reflexionsfilters 126 unter 45 bezüglich der Zeichenebene verlaufen müssen. Der Meßfühler 111 gemäß Eig. 20 ist in funtkioneller Hinsicht demjenigen gemäß !ig. 12 analog und insbesondere zur Erfassung eines Druckes geeignet, der auf den elasto-optischen Körper 129 wirkt.ment (e.g. 45 with respect to the plane of the drawing), and that between the polarizer 128 and deir »again as a Bragg reflector formed reflection filter an elasto-optical body 129 is arranged, the one for the measured variable proportional birefringence unfolds and thereby a modulation of the polarization of that transmitted by the polarizer 128 Conveys light. It goes without saying that with the given orientation of the polarizer the optical axes of the reflection filter 126 must also run at 45 with respect to the plane of the drawing. Of the Sensor 111 according to prop. 20 is functionally appropriate to the one. 12 analogous and in particular for acquisition a pressure that acts on the elasto-optical body 129 is suitable.
Es bleibt zu erwähnen, daß die beschriebenen Verfahren und EinrichtungsVarianten durch einen Fachmann in mannigfacher Weise kombiniert, abgewandelt und gegebenenfalls verfeinert werden können. Beispielsweise können die anhand der Figuren 9-12 für die Filterung im Meßfühler erläuterten Varianten direkt für die Filterung im Auswertegerät verwendet werden, wenn statt der Blenden entsprechend angeordnete strahlablenkende Elemente wie Spiegel oder Prismen eingesetzt werden bzw. wenn statt Polarisationsanalysatoren 60 in Meßfühlern gemäß den Figuren 11 und 12 Wollaston-Prismen oder andere Polarisatoren mit zwei Ausgangsstrahlen eingesetzt werden. Anstelle der beispielhaft betrachteten, einfachen Interferenzfilter kann es ferner zweckmäßig sein, zur Unterdrückung eines möglicherweise störenden Nebensprechens zwischen den Teillicht strömen I1 und I_ zwei oder mehrere solcher Interferenzfilter hintereinander zu schalten oder auch solche Interferenzfilter zu benutzen, die zwei oder mehr überIt should be mentioned that the methods and device variants described can be combined, modified and, if necessary, refined in many ways by a person skilled in the art. For example, the variants explained with reference to FIGS 11 and 12 Wollaston prisms or other polarizers with two output beams can be used. Instead of the simple interference filters considered by way of example, it can also be useful to switch two or more such interference filters in series or to use such interference filters that two or more overflows to suppress a possibly disruptive crosstalk between the partial light flows I 1 and I_
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Daim 16 6§ψ/Α A^ 31.07.1985Daim 16 6§ψ / Α A ^ July 31, 1985
teildurchlässige Reflexionsschichten gekoppelte Resonanzvolumina besitzen. Derartige Filter-Kombinationen besitzen relativ breitere Transmissions-Maxima und tiefere -Minima.partially transparent reflection layers coupled resonance volumes own. Such filter combinations have relatively broader transmission maxima and lower minima.
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