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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
11.
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Faseroptische
Sensoren nach dem Fabry-Pérot-Faserinterferometer-Prinzip
werden primär zur
genauen Anzeige meist geringer Verschiebungen als – zumindest
an der Messstelle – kleines
und unkompliziertes Bauteil zur mittelbaren oder unmittelbaren Überwachung
bau- und geophysikalischer Messgrößen verwendet. Hierbei werden
Interferenzen ausgewertet, die bei der Überlagerung von Laserstrahlen
mit ihren durch Reflexion am Messort entstandenen Sekundärstrahlen
gebildet werden. Bei Einsatz von Lichtleitfasern zum gleichzeitigen
Führen des
Primär-
und Sekundärstrahls
ist dieses Messprinzip auch für
lange Wegstrecken und schwer zugängliche
Messstellen einsetzbar. Ein weiterer Vorteil besteht in dem Fehlen
elektrischer Lei tungsverbindungen, so dass galvanisch bzw. elektrostatisch
bedingte Störgrößen z.B.
bei Blitzschlag auch bei großen
Entfernungen zwischen Sensor- und Auswerteeinheit entfallen. Problematisch
ist aber immer noch die Auswertung der als Sensorausgangssignal
anfallenden periodischen Interferenzsignale.
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Betrachtet
man bei einem Faserinterferometer bei einem sich gleichmäßig verändernden
Grenzflächenabstand
den fast kosinusförmigen
Verlauf des Signals, der von einer angenäherten Exponentialfunktion überlagert
ist, so kann man vor allem bei kleinen Veränderungen nicht unmittelbar
auf die Bewegungsrichtung schließen. Man erhält vielmehr
ein mehrdeutiges Messergebnis. Schaltet man das Messgerät ab oder
trennt es vom Sensor, so hat man außerdem seinen Nullpunktbezug
verloren. Dies spielt z.B. bei akustischen Messungen keine entscheidende
Rolle. Messungen von Verformungen, Drücken oder Temperaturen zur Überwachung
von Prozessen oder Zuständen,
bei denen es neben der Auflösung
der Messsignale auf Eindeutigkeit und Langzeitstabilität ankommt,
sind so aber nicht sinnvoll durchführbar.
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Es
gibt verschiedene konstruktive und schaltungstechnische Vorschläge zur Lösung dieses
Problems. Grundgedanke hierbei ist, mindestens eine weitere Information
zu gewinnen, die sich mit dem ursprünglichen Interferometersignal
verknüpfen
lässt, um
zu eindeutigen und möglichst
absoluten Werten zu gelangen.
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Aus
der
DE 40 18 998 A1 ist
ein faseroptischer Drucksensor bekannt, bei dem gegenüber der in
einem Gehäuse
befindlichen Membran, deren Innenseite hoch verspiegelt ist, ein
Lichtwellenleiter mit einer teilverspiegelten Stirnfläche so angeordnet
ist, dass sich zwischen beiden ein Fabry-Pérot-Resonator herausbildet. über den
Lichtwellenleiter wird von einer Laserlichtquelle emittiertes Licht
in den Druckmesskopf eingespeist. Das vom Lichtwellenleiter in den
Fabry-Pérot-Resonator
eingekoppelte Licht wird an der hochverspiegelten Membraninnenseite
zur teilreflektierenden Stirnfläche
des Lichtwellenleiters reflektiert. An dieser wird ein dem Reflektionskoeffizienten
der teilreflektierenden Stirnfläche
entsprechender Anteil zur hochverspiegelten Membraninnenseite zurückreflektiert.
Das nach mehreren Reflexion in den Lichtleiter transmittierte Licht
weist aufgrund der stattfindenden Vielstrahlinterferenz eine Intensitätsverteilung
auf, die durch den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran
bestimmt wird. Die Intensitätsverteilung
des transmittierten Lichts wird in einer optoelektronischen Detektoreinrichtung
registriert und in einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ausgewertet.
Die Verwendung einer Codiereinrichtung, die das von der Lichtquelle
emittierte Licht in zwei phasenverschobene und durch ihren Polarisationszustand
diskriminierbare Teillichtstrahlen aufteilt, erlaubt die Erkennung
des Membranhubes in beiden möglichen
Richtungen.
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Nachteil
dieses faseroptischen Drucksensors ist, dass aufgrund des hohen
Reflexionsgrades der Resonatorflächen
intensive, sehr schmale Interferenzmaxima erreicht werden, so dass
nur diskrete Werte des Membranhubes einfach zu ermitteln sind. Auch
ist dieser Sensor nicht für
Langzeitmessungen geeignet, da hierfür als unabdingbare Voraussetzung eine
Nachkalibrierbarkeit des Fühlers
oder die Herstellung eines reproduzierbaren Nullpunktbezugs ist. Dies
kann bei verloren eingebautem Fühler
nicht gewährleistet
werden.
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Des
Weiteren ist in der
DE
38 11 178 A1 ein mit Lichtwellenleitern arbeitender Druck-
oder Verschiebungsfühler
gezeigt, bei dem Licht verschiedener Wellenlängen in einen Lichtwellenleiter
eingekoppelt, einem Wellenlängenmultiplexer
zugeführt
und anschließend
in einen Richtkoppler in zwei gleiche Anteile aufgespaltet wird.
Ein Lichtanteil wird direkt einem ersten Wellenlängendemultiplexer zugeführt. Ein
Anteil des Lichts wird über
einen Lichtwellenleiter einer Fabry-Pérot-Einrichtung mit zwei
teilweise reflektierenden Reflektoren, die durch einen Hohlraum voneinander
getrennt sind, zugeführt.
Die Geometrie des Fabry-Pérot-Resonators ändert sich
durch den anliegenden Druck, der eine lineare Verschiebung oder
Verbiegung eines Spiegels bewirkt. Die Intensität des Rücklaufsignals hängt vom
Abstand der Reflektoren des Fühlers
ab. Nach Durchlaufen des Fabry-Pérot-Resonators wird das Rücklaufsignal
in denselben Lichtwellenleiter eingekoppelt und einem zweiten Wellenlängendemultiplexer
zugeführt.
Fotodioden erzeugen aus den Wellenlängekomponenten des ausgesendeten
und des empfangenen Lichts elektrische Ausgangssignale, die normiert
und in einer Komparatoranordnung miteinander verglichen werden.
Das erzeugte Ausgangssignal ist vom Abstand zwischen den Spiegeln
des Fühlers
und somit vom auf den Fühler
einwirkenden Druck, jedoch nicht von Intensitätsänderungen des ausgesendeten Lichts
abhängig.
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Dieser
mit Lichtwellenleitern arbeitende Druck- oder Verschiebungsfühler hat
trotz der Verwendung mehrerer Wellenlängen den Nachteil, dass über einen
größeren Messbereich
aus dem Phasengang des Lichts eine Periodizität der Schwebungswellenlänge auftritt,
wodurch in diesem Fall keine eindeutigen Messaussagen getrof fen
werden können. Ändert sich
bei einem nach Einbau nicht mehr zugänglichen Fühler die Wellenlänge des
emittierten Lichts der Lichtquellen z.B. durch Alterungserscheinungen
oder dem Einsatz anderer Lichtquellen, geht der Nullpunktbezug dieses
Fühlers
verloren. Damit ist dieser Drucksensor für Langzeitmessungen mit unzugänglichem
Messfühler
nicht geeignet.
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Schließlich arbeitet
eine in der
DE 38 16
529 A1 offenbare Druckmessvorrichtung nach dem Prinzip
eines Weißlicht-Fabry-Pérot-Interferometers.
Ein Raum zwischen einer vollverspiegelten Membran und einer parallel
dazu ausgerichtet halbverspiegelten Wandung bilden einen Fabry-Pérot-Resonator. Über einen
von einer Lichtquelle kommenden und wenigstens einen Teil der Wandung
bildenden Lichtwellenleiter wird Licht mit einer spektralen Breite
von mindestens 100 nm in den Fabry-Pérot-Resonator eingekoppelt.
Durch Interferenz der vielfach reflektierten Lichtstrahlen werden
die Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge, die dem vierfachen Abstand
zwischen Membran und Wandung entspricht, ausgelöscht. Im ansonsten kontinuierlichen
Spektrum fehlt also diese Wellenlänge. Eine Änderung des auf die Membran
des Sensors wirkenden Drucks führt
zu einer Veränderung
des Abstands der Membran von der Wandung, wodurch sich die fehlende
Wellenlänge ändert. Dieses
veränderte
Spektrum wird über
den Lichtwellenleiter und einem Koppler einem Spektrometer zur Auswertung
zugeführt,
in welchem der fehlende Spektralanteil ermittelt wird.
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Bei
dieser bekannten Druckmessvorrichtung besteht der Nachteil, dass
die Auflösung
für viele
Anwendungsfälle
zu gering ist.
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Messaufgaben
faseroptischer Druckaufnehmer in Berei chen der Langzeitüberwachung,
wie z.B. in der Geotechnik zur Überwachung
quasistatischer Druckgrößen über große Zeiträume, stellen
spezielle Anforderungen an den Druckaufnehmer. Hierzu gehören neben
der stabilen und zuverlässigen
Erfassung der Messgröße die Sicherstellung
der Reproduzierbarkeit statistischer Messwerte über Jahre hinweg. Dies erfordert
die Beherrschung von Drift-, Hysterese- und Alterungserscheinungen,
da bei dem typisch verlorenen Einbau der Sensoren Nachkalibrierungen
oder Probebelastungen nicht möglich
sind.
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Hinsichtlich
der Tatsache, dass bei derartigen Druckaufnehmern angestrebt wird,
bei möglichst geringen
Membranauslenkungen zu arbeiten, erweist sich häufig, dass entweder die Auflösung und Genauigkeit
der Messverfahren nicht ausreichend sind oder absolute und zuverlässige Messwerte
beim Wechsel des Ansteuer- und Auswertegeräts oder einzelner optischer
Komponenten nicht gewährleistet werden
können.
Eine nachträgliche
Kalibrierung des Sensors oder Referenzierung der Messwerte bei verloren
eingebauten Sensoren ist ebenfalls nicht möglich.
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Aus
T. Li, R. G. May, A. Wang, R. O. Claus: Optical scanning extrinsic
Fabry-Perot interferometer for absolute microdisplacement measurement,
in: Applied Optics, Vol. 36, No. 34, 1997, S. 8858–8861, ist
ein Doppel-Fabry-Perot-Interferometer bekannt, das ein Messinterferometer
und ein Referenzinterferometer aufweist. Beide Interferometer enthalten
jeweils in einem Rohr einen Luftraum zwischen den Endflächen von
zwei optischen Fasern, wobei bei dem Messinterferometer der der
Luftraum durch Verschieben der einen Endfläche veränderbar ist und bei dem Referenzinterferometer
beide Endflächen
durch Befestigen der optischen Fasern an dem Rohr fixiert sind,
so dass ein konstanter Referenzluftraum gebildet ist. Vor Beginn
der Messung wird das Referenzinterferometer kalibriert, indem die
eine optische Faser verschoben und dann in der kalibrierten Stellung
fixiert wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung
und ein Verfahren zur diskontinuierlichen Absolutmessung von gegenüber der
Dauer eines Messvorgangs langzeitigen Verschiebungen eines reflektierenden
Elements, mit einem ersten Fabry-Pérot-Faserinterferometer
als Messinterferometer mit einem ersten Lichtwellenleiter mit einem
Ende zur Emission von Messlicht und zur Aufnahme von reflektiertem
Messlicht, wobei das reflektierende Element dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters
gegenüberliegt
und seine Lage relativ zu dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters in
Richtung von dessen Ach se verschiebbar ist, und mit einer Auswerteeinheit
zur Ermittlung der Größe der Verschiebung
des reflektierenden Elements anhand des reflektierten Messlichts
anzugeben, die es ermöglichen,
bei einfachem und robustem Aufbau absolute und langzeitstabile Messergebnisse
quasistatischer Messgrößen auch
bei geringen Verschiebungen über
große
Zeiträume
zu gewinnen, sowie eine Referenzierung der Messwerte bei verlorenem Einbau
zu ermöglichen,
um eine hohe Wiederholgenauigkeit der Messwerte über mehrere Jahre hinweg zu
gewährleisten.
Die Auswerteeinheit soll vom Messinterferometer ohne Verlust des
Bezugspunktes bzw. Nullpunktes trennbar sein. Auch soll der Austausch
einzelner optischer, faseroptischer oder elektrischer Komponenten
der Messvorrichtung keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit
der Messergebnisse haben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 Vorteilhafte Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Dadurch,
dass eine Verschiebevorrichtung zur steuerbaren Verschiebung des
reflektierenden Elements zur Vergrößerung des Abstands zwischen diesem
und dem einen Ende des ersten Lichtwellenleiters während eines
Messvorgangs und ein Anschlagindikator zur Erfassung des Auftreffens
des reflektierenden Elements auf einen in definierter Lage zum Messinterferometer
angeordneten Anschlag bei der Verschiebung durch die Verschiebevorrichtung vorgesehen
sind, kann bei jedem Messvorgang der Abstand zwischen der jeweils
gegenwärtigen
Lage des reflektierenden Elements und einem festen Bezugs- bzw.
Nullpunkt gemessen werden, so dass die Verschiebung zwischen zwei
zeitlich aufeinander folgenden Messvorgängen ermittelt werden kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines Messinterferometers bei einer Messvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 den
prinzipiellen Aufbau eines Anschlagindikators bei einer Messvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 den
prinzipiellen Aufbau eines das Messinterferometer und den Anschlagindikator
enthaltenden Sensorkopfes einer Messvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4 eine
Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 typische
Mess- und Auswertesignale bei Verwendung von Licht einer Wellenlänge, und
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6 den
prinzipiellen Aufbau einer Messvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
Messinterferometer nach 1 ist ein weitgehend rückwirkungsfrei
gestaltetes faseroptisches Fabry-Pérot-Interferometer,
das eine Kapillare 1, einen Lichtwellenleiter 2 zum
Senden und Empfangen von Licht und ein reflektierendes Element 3,
das als kurzes Lichtwellenleiterstück ausgebildet ist, aufweist.
Die exakt senkrecht zur optischen Achse stehende, glatt gebrochene
oder polierte Stirnfläche 2a des
Lichtwellenleiters 2 und die ebenfalls glatt gebrochene
oder polierte Stirnfläche 3a des
reflektierenden Elements 3 stehend sich im Inneren der
Kapillare 1 parallel gegenüber und bilden, aufgrund des
geringen Reflexionsgrad der relevanten Glasoberflächen von
ca. 0,04 bei senkrechtem Auftreffen des Lichts, die Spiegel eines
Fabry-Pérot-Resonators 4 geringer Güte. Dies
bedeutet, dass die reflektierte Intensität des Fabry-Pérot-Resonators 4 bei
gleichförmiger Veränderung
des Abstands zwischen den Stirnflächen 2a und 3a einen
annähernd
kosinusförmigen Verlauf
besitzt. Um die Einleitung einer translatorischen Bewegung in den
Fabry-Pérot-Resonator 4 zu ermöglichen,
wird einer der beiden in die Kapillare 1 ragenden Lichtleiter 2 bzw. 3 durch
thermisches Kollabieren der Kapillare 1 oder mittels einer
Klebeverbindung fest mit der Kapillare 1 verbunden, während der
andere frei in der Kapillare 1 gleiten kann. In 1 ist
der Lichtwellenleiter 2 über einen schmalen Bereich 1a fest
mit der Kapillare 1 verbunden. Die Verbindung befindet
sich in einem gewissen Abstand vom Ende der Kapillare, um die mechanische
Stabilität
des durch den Kollabierungsvorgang beeinflussten Lichtwellenleiterabschnitts
zu verbessern. Das frei in der Kapillare 1 gleitende reflektierende
Element 3 wird durch Führungs-
und Dichtelemente 5 und 6 geführt. Dies bedeutet, dass das
Messinterferometer gegenüber
der Umwelt abgeschlossen und vor Verschmutzung und Umwelteinflüssen wie
z.B. Feuchte geschützt
ist. Die Einleitung einer Bewegung erfolgt über das reflektierende Element 3 als gleitender
Teil des Messinterferometers. Eine Abdeckung 7 an der Stirnfläche 3a entge gengesetzten Ende
des reflektierenden Elements 3 wird sowohl als Begrenzung
der Gleitbewegung als auch zur Ankopplung an ein das reflektierende
Element 3 verschiebendes Federelement verwendet.
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Der
Anschlagindikator besteht im konstruktiv einfachsten Fall aus einem
mechanischen Festanschlag, der auf einem justierbaren Träger angeordnet ist.
Das Auftreffen des reflektierenden Elements 3 bzw. der
Abdeckung 16 auf dem Anschlag bei einem Messvorgang kann
aus dem Verlauf der Messkurve softwareseitig durch Ermittlung von
definierten Anstiegsbedingungen detektiert werden.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Anschlagsindikators
hat dieser jedoch einen ähnlichen
Aufbau wie das Messinterferometer nach 1. Ankommendes
und abgehendes bzw. reflektiertes Licht wird durch einen Lichtwellenleiter 8 geführt, der
in eine Kapillare 9 ragt und fest mit dieser verbunden
ist. Den wesentlichen Unterschied gegenüber dem Messinterferometer
bildet die Ausführung des
aus der Kapillare 9 herausragenden Endes des gleitenden
Lichtwellenleiterstücks 10.
Beim Anschlagindikator nach 2 ist dieses
mit einem harten, formstabilen Anschlagelement 11, das
beispielsweise aus Keramik besteht, verbunden. Dieses Anschlagelement 11 sitzt
formschlüssig
in einem vorzugsweise keramischen Maskenelement 12, das
starr an einem justierbaren Träger
befestigt ist. Das Anschlagelement 11 ist weiterhin über ein
dauerelastisches Element 13, das aus einem langzeitstabilen
Elastomer bestehen, jedoch auch als metallische Feder ausgebildet
sein kann, an die Kapillare 9 gekoppelt. Bei jedem später noch
näher beschriebenen
Anfahren des Referenz- bzw. Nullpunktes während eines Messvorgangs wird
das elastische Ele ment des Sensorkopfes an das Anschlagelement herangeführt und dieses
nach erfolgter Berührung
durch das elastische Element exakt in die Lage des Referenzpunktes
zurückbewegt.
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3 zeigt
den Aufbau eines faseroptischen Druckmesskopfes, der ein Messinterferometer 14 nach 1 sowie
einen Anschlagindikator 15 nach 2 enthält. Diese
sind so angeordnet, dass ihre optischen Achsen zusammenfallen, wobei
die Abdeckung 7 des Messinterferometers 14 und
das Anschlagelement 11 des Anschlagindikators 15 einander
zugewandt sind.
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Eine
in einem Gehäuse 16 sitzende
Membran 17 ist über
ein Übertragungselement 18 mit
einem Federelement 19 derart verbunden, dass die bei einer
Druckbeaufschlagung der Membran 17 durch einen außen anliegenden
und auf die Membran 17 wirkenden Über- oder Unterdruck auftretende
Durchbiegung der Membran 17 als translatorische Bewegung
auf das Federelement 19 übertragen wird. Diese translatorische
Bewegung wirkt auf das bewegbare reflektierende Element 3 des
starr in Bezug auf das Gehäuse 16 und
damit auch starr in Bezug auf die Befestigungsstellen der Membran 17 angeordneten
Messinterferometers 14, welches seinerseits auf einem justierbaren
Träger 20 befestigt
ist. Das Messinterferometer 14 ist vorzugsweise rückwirkungsfrei ausgeführt, so
dass es nur eine vernachlässigbare Kraft
auf das Federelement 19 und damit rückwirkend auf die Membran 17 ausübt.
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Über den
Lichtwellenleiter 1, vorzugsweise einen Monomode-Lichtwellenleiter,
wird sowohl das von mindestens einer Lichtquelle stammende kohärente, monochromatische
Licht dem Messinterferometer 14 zugeführt als auch das im Fabry-Pérot-Resonator 4 modulierte Licht
zurück
zu einem fotoelektrischen Empfänger
geleitet.
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Über den
Fabry-Pérot-Resonator 4 wird
eine hochaufgelöste
Erfassung der Verschiebung des reflektierenden Elements 3 und
damit der durch die Druckbeaufschlagung erfolgten Durchbiegung der Membran 17 realisiert.
Das aus dem Resonator 4 ausgekoppelte und über den
Lichtwellenleiter 2 zurückgeführte Licht
weist eine Intensitätsverteilung auf,
deren Gesetzmäßigkeit
in der bekannten Formel von G. B. Airy beschrieben wird. Das im
Messinterferometer 14 modulierte Licht enthält somit
eine Information über
den auf die Membran 17 wirkenden Druck.
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Durch
Einleiten einer Hilfsenergie in den Sensorkopf kann zu einem beliebigen
Zeitpunkt das Federelement 19 definiert verformt werden,
bis es das Anschlagelement 11 des Anschlagindikators 15 berührt. Im
Beispiel nach 3 wird durch einen über eine
Leitung 21 geregelt angelegten Steuerdruck ein Federbalg 22 so
bewegt, dass er mit einem Stößel 23 gegen
das Federelement 19 drückt
und dieses leicht auslenkt, bis es mit einer auf ihm angebrachte
Tastspitze 24 das Anschlagelement 11 berührt. Der
als faseroptisches Fabry-Pérot-Interferometer
ausgebildete Anschlagindikator 15 ist mit dem Lichtwellenleiter 8,
der ebenfalls das von mindestens einer Lichtquelle stammende kohärente und
monochromatische Licht dem Anschlagindikator 15 zuführt sowie
das ausgekoppelte modulierte Licht zu einem in 3 nicht
gezeigten fotoelektrischen Empfänger leitet,
verbunden ist, verändert
hoch empfindlich den Intensitätsverlauf
des modulierten Lichts. Nach der Detektion der Berührung zwischen
der Tastspitze 24 und dem Anschlagelement 11 wird
die Zufuhr der Hilfsenergie gestoppt. Die Bewegung des Fe derelements 19 wird
auf das mit diesem verbundene reflektierende Element 3 übertragen,
so dass sich entsprechende Intensitätsänderungen des aus dem Fabry-Pérot-Resonator 4 ausgekoppelten
und über
den Lichtwellenleiter 2 zurückgeleiteten Lichts ergeben.
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Die
Parameter der Membran 17, des Federelements 19 und
der elastischen Elemente des Anschlagindikators 15 sind
so aufeinander abgestimmt, dass das Messergebnis durch diese Bewegung
nicht verfälscht
wird.
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Der
Federbalg 22 kann hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden;
auch besteht die Möglichkeit,
das Federelement 19 elektrisch oder optoelektrisch zu verformen.
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4 zeigt
den Aufbau eines Ausführungsbeispiels
einer Messvorrichtung nach der Erfindung.
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Kohärentes,
monochromatisches Licht eines Halbleiterlasers 25 wird
in einen Monomode-Lichtwellenleiter 26 eingekoppelt, über einen
optischen Verzweiger 27 auf zwei weitere Monomode-Lichtwellenleiter 28 und 29 aufgeteilt
und zu einem Sensorkopf 30 geführt, der dem Sensorkopf nach 3 entspricht.
In diesem dienen der Monomode-Lichtwellenleiter 2 der Versorgung
des Messinterferometers und der Monomode-Lichtwellenleiter 8 der Versorgung
des Anschlagindikators. Das vom Sensorkopf 30 über die
Monomode-Lichtwellenleiter 2 und 8 zurückgeleitete
Licht wird über
zwei weitere optische Verzweiger 31 und 32 aus
den Lichtwellenleitern 2 und 8 ausgekoppelt und
separat fotoelektrischen Wandlern 33 und 34, beispielsweise
Fotodioden, zugeführt.
Hier werden die eintreffenden optischen Signale in elektrische Signale
umgewandelt und an eine Auswerteeinheit 35 weitergegeben, in
der sie verstärkt,
bewertet, in die entsprechende Weg- oder Druckgröße umgewandelt, visualisiert
und gespeichert werden. Die Auswerteeinheit 35 ist direkt
mit einer Steuervorrichtung 36 zur Steuerung einer Quelle 37 für Hilfsenergie
verbunden. Die Hilfsenergie wird in Form eines durch ein Fluid übertragenen
Drucks über
die Leitung 21 zu dem Federbalg 22 geführt.
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Ein
Messvorgang wird bei der Messvorrichtung nach 4 bei
Verwendung von Licht nur einer Wellenlänge wie folgt durchgeführt.
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Der
bereits vor dem Einbau kalibrierte und bezüglich der Lage des Referenzpunktes überprüfte Sensorkopf 30 liefert
bei angeschlossener Auswerteeinheit 35 permanent Signale,
die die optische Weglänge
im Fabry-Pérot-Resonator 4 des
Messinterferometers 14 und damit den auf die Membran 17 wirkenden
Druck repräsentieren.
Diese Signale sind nicht eindeutig, denn sie stellen den Intensitätsverlauf
abhängig
vom Phasenwinkel der interferierenden Teilstrahlen im Fabry-Pérot-Resonator 4 dar.
Um zu einer eindeutigen Messaussage zu kommen, wird das Messinterferometer
ausgehend von der Stellung des reflektierenden Elements 3,
die ihm vom an der Membran 17 anliegenden Druck aufgezwungen
wird, durch Auslenkung des Federelements 19 mittels der zugeführten Hilfsenergie
bis zu einem festen Referenzpunkt verändert. Die Stellung bei Erreichen
des Referenzpunktes wird durch den Anschlagindikator 15 detektiert.
Eine Auswertung der Signale des Messinterferometers während dieser
Auslenkung ergibt die Weg- bzw. Druckdifferenz zwischen der Stellung mit
Messgrößenbeaufschlagung
und dem festen Referenzpunkt. Da das reflektierende Element 3 während dieser
Messung nur in eine Richtung bewegt wird, ist eine eindeutige Messaussage
möglich.
Gültig
ist die Messaussage wenn die Differenz der permanenten Signale,
die die optische Weglänge
im Fabry-Pérot-Resonator 4 des
Messinterferometers 14 repräsentieren einen vorgegebenen
Wert nicht übersteigen.
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5 zeigt
Zeitdiagramme von typischen Signalen bei einer derartigen Messung.
Die obere Kurve 38 stellt den normierten Verlauf des Messsignals des
Messinterferometers während
des Vorgangs der Auslenkung des Federelements 19 durch
die Hilfsenergie ausgehend von dem Punkt 39, der durch
die Durchbiegung der Membran 17 bestimmt wird, bis zu dem
Referenzpunkt 40 dar. Der bei der Auslenkung zurückgelegte
Weg des reflektierenden Elements 3 ist durch Δϕ gekennzeichnet.
Man erkennt aus der abnehmenden Frequenz die ansteigende Gegenkraft des
Federelements 19 bei zunehmender Auslenkung, die zu einer
abnehmenden Geschwindigkeit des Federelements 19 führt. Durch
die Detektion des Referenzpunktes 40 mittels des Anschlagdetektors 15 wird
ein echtes Triggersignal geliefert, das sich gut auswerten lässt. Der
Ausgangspunkt der Bewegung des Messinterferometers 14,
d.h., die durch den Zustand der Membran 17 bestimmte Lage,
ist dagegen einfach aus dem Unterschied des Kurvenverlaufs vom "Ruhezustand" bei Beaufschlagung
mit der quasistatischen Messgröße zum steilen
Anstieg des Signals beim Zuführen
der Hilfsenergie zu ermitteln. Aus diesen Angaben wird der Weg-
bzw. Druckverlauf 41 ermittelt. Die mittlere Kurve 42 zeigt
das Ausgangssignal des Anschlagindikators 15.
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Anhand
des Ausführungsbeispiels
einer Messvorrichtung nach 6 wird der
Messvorgang bei Verwendung von Licht zweier Wellenlängen näher erläutert. Der
Aufbau der Messvorrichtung ist gegenüber der bei Verwendung nur
einer Lichtwellenlänge
nach 4 geringfügig
verändert.
Das kohärente,
monochromatische Licht zweier Halbleiterlaser 43 und 44,
die kohärentes,
monochromatisches Licht mit zwei nahe beieinander liegenden Wellenlängen emittieren,
wird hier lediglich über
einen zusätzlichen faseroptischen
Verzweiger 45 in einen Monomode-Lichtwellenleiter 46 eingekoppelt.
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Der
eigentliche Messvorgang erfolgt wie bei der Verwendung nur einer
Lichtwellenlänge;
nur dass in diesem Fall sowohl im Messinterferometer als auch im
Anschlagindikator das Licht beider Wellenlängen unabhängig voneinander verändert wird
und dieses eine gegenseitige, vom Abstand der Reflektoren in den
Fabry-Pérot-Resonatoren
abhängige
Phasendifferenz aufweist. Die Trennung der Signale erfolgt durch
die Anwendung eines geeigneten Multiplexverfahrens, im Beispiel
nach 6 durch Zeitmultiplex.
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Vorteile
dieses Ausführungsbeispiels
ergeben sich aus der noch genaueren Detektion des Anschlags durch
die Beobachtung zweier phasenverschobener Signale und einer einfacheren
Auswertung der Signalverläufe.
Der hauptsächliche
Vorteil jedoch resultiert aus der Möglichkeit, auf zeitlich zwischen
den nullpunktreferenzierten Messungen permanent absolute Messwerte
erhalten zu können. Dieser
Umstand erweitert das Anwendungsgebiet dieser Messvorrichtung auf
das Gebiet der zuverlässigen
Messung schneller Druckänderungen.