DE102015007206A1 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Der optische Sensor dient zur Messung von Spurenbestandteilen in Flüssigkeiten und/oder Gasen und hat mindestens einen optischen Resonator, der wenigstens eine poröse Schicht aufweist, deren Poren zur Aufnahme von Feuchteteilchen dienen. Der Resonator ist ein Ringresonator, dem wenigstens ein optischer Wellenleiter zugeordnet ist. In den Wellenleiter wird Licht eingespeist, das in den Ringresonator teilweise ausgekoppelt wird. Im Ringresonator entstehen aufgrund seiner zum Teil sehr hohen Finesse Interferenzen mit dem Wellenleiter, in den ein Lichtspektrum eingestrahlt wird. Aus dem Transmissionsspektrum kann ein Kamm von Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Lagern sich Spurenbestandteile in den Poren des Ringresonators ab, wird die Brechzahl und damit die optische Weglänge verändert, was zu einer Wellenlängenverschiebung der herausgefilterten Wellenlängenminima führt. Aus der Wellenlängenverschiebung lässt sich der Gehalt an Spurenbestandteilen ermitteln.The optical sensor is used to measure trace constituents in liquids and / or gases and has at least one optical resonator, which has at least one porous layer whose pores serve to receive moisture particles. The resonator is a ring resonator, which is associated with at least one optical waveguide. In the waveguide light is fed, which is partially decoupled in the ring resonator. In the ring resonator arise due to its sometimes very high finesse interference with the waveguide, in which a light spectrum is irradiated. From the transmission spectrum a comb of wavelength minima can be filtered out. If trace constituents are deposited in the pores of the ring resonator, the refractive index and thus the optical path length are changed, which leads to a wavelength shift of the wavelength minima filtered out. From the wavelength shift, the content of trace constituents can be determined.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an optical sensor according to the preamble of
Zur Messung von Spurenfeuchte in Gasen und Flüssigkeiten werden optische Sensoren eingesetzt. Sie bestehen aus mehreren porösen und dielektrischen Schichten, in deren Poren sich eventuell vorhandene Feuchtigkeitsteilchen absetzen. Wird durch den Feuchtesensor Licht gestrahlt, verändert sich infolge der eingelagerten Feuchteteilchen der Brechungsindex des eingestrahlten Lichtes. Dies führt im optischen Sensor zu einer Wellenlängenverschiebung, die proportional zur Feuchte im zu messenden Medium ist. Aus der Wellenlängenverschiebung lässt sich der Gehalt an Feuchtigkeit im zu messenden Medium erfassen.Optical sensors are used to measure trace moisture in gases and liquids. They consist of several porous and dielectric layers, in the pores of which any moisture particles are deposited. If light is radiated by the moisture sensor, the refractive index of the incident light changes as a result of the embedded moisture particles. This leads to a wavelength shift in the optical sensor which is proportional to the humidity in the medium to be measured. From the wavelength shift, the content of moisture in the medium to be measured can be detected.
Das Messprinzip beruht auf dem Grundprinzip eines Fabry-Perot-Interferometers. Es hat für viele Anwendungen jedoch ein zu langsames Reaktionsverhalten bei Feuchtigkeitsveränderungen. Die Ursache dieses relativ langsamen Reaktionsverhaltens liegt im Aufbau des Schichtensystems und in den Dicken und Porositäten der einzelnen Schichten. Je dicker das Schichtensystem ist, desto langsamer trocknet es in einem Gasstrom. Andererseits ist die Dicke des Schichtensystems für die Finesse des Fabry-Perot-Interferometers entscheidend und bestimmt somit auch die Halbwertsbreite beim Wellenlängenminimum. Dadurch wird die Messgenauigkeit bei der Signalanalyse wesentlich beeinflusst.The measuring principle is based on the basic principle of a Fabry-Perot interferometer. However, for many applications it has too slow a response to changes in humidity. The cause of this relatively slow reaction behavior lies in the structure of the layer system and in the thicknesses and porosities of the individual layers. The thicker the layer system, the slower it dries in a gas stream. On the other hand, the thickness of the layer system is critical to the finesse of the Fabry-Perot interferometer and thus also determines the half-width at the wavelength minimum. This significantly influences the accuracy of the signal analysis.
Der bekannte optische Sensor hat ein Schichtensystem aus insgesamt elf abwechselnd niedrig- und hochbrechenden porösen Schichten, die aus SiO2, ZrO2 bestehen. Das Schichtensystem hat eine Gesamtdicke von mehr als 2 μm. Eine solche Ausbildung des optischen Sensors stellt einen Kompromiss zwischen einer möglichst geringen Dicke und einer hohe Finesse dar. Die mit einem solchen optischen Sensor gemessenen Ansprechzeiten bei einem Taupunktwechsel zwischen +10°C und –60°C bei einer Gastemperatur von 30°C schwanken aufgrund unterschiedlicher Porosität der Schichten zwischen 1 und 7 Stunden.The known optical sensor has a layer system of eleven alternating low and high refractive porous layers, which consist of SiO 2 , ZrO 2 . The layer system has a total thickness of more than 2 μm. Such a design of the optical sensor represents a compromise between the lowest possible thickness and a high finesse. The measured with such an optical sensor response times at a dew point change between + 10 ° C and -60 ° C at a gas temperature of 30 ° C vary due different porosity of the layers between 1 and 7 hours.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen optischen Sensor so auszubilden, dass ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit die Messzeiten erheblich verringert sind.The invention has the object of providing the generic optical sensor in such a way that the measurement times are significantly reduced without affecting the measurement accuracy.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen optischen Sensor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved in the generic optical sensor according to the invention with the characterizing features of
Beim erfindungsgemäßen Sensor wird der Resonator durch einen Ringresonator gebildet. Im Ringresonator entstehen aufgrund seiner zum Teil sehr hohen Finesse Interferenzen mit dem Wellenleiter, in den ein Lichtspektrum eingestrahlt ist. Aus dem Transmissionsspektrum kann ein Kamm von Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Lagern sich Spurenbestandteile in den Poren des Ringresonators ab, wird die Brechzahl und damit die optische Weglänge verändert. Dies führt zu einer Wellenlängenverschiebung der herausgefilterten Wellenlängenminima. Aus der Wellenlängenverschiebung lässt sich in bekannter Weise der Gehalt an Spurenbestandteilen im zu messenden Medium mit hoher Genauigkeit ermitteln. Mit dem erfindungsgemäßen Sensor ergibt sich gegenüber dem bekannten Sensor eine stark reduzierte Dicke der Feuchteschicht, wodurch eine deutlich schnellere Reaktionszeit ermöglicht werden kann.In the sensor according to the invention, the resonator is formed by a ring resonator. In the ring resonator due to its sometimes very high finesse interference with the waveguide, in which a light spectrum is irradiated. From the transmission spectrum a comb of wavelength minima can be filtered out. If trace constituents are deposited in the pores of the ring resonator, the refractive index and thus the optical path length are changed. This leads to a wavelength shift of the wavelength minima filtered out. From the wavelength shift can be determined in a known manner, the content of trace constituents in the medium to be measured with high accuracy. With the sensor according to the invention results compared to the known sensor a greatly reduced thickness of the moisture layer, whereby a much faster reaction time can be made possible.
Allgemein wird aus dem Transmissionsspektrum ein Modemspektrum herausgefiltert, das zur Bestimmung des Gehalts an Spurenbestandteilen herangezogen werden kann. Die Verschiebung der Wellenlängenminima bietet die Möglichkeit, hochgenaue Gaskennlinien zu kalibrieren.Generally, a modems spectrum is filtered out of the transmission spectrum, which can be used to determine the content of trace constituents. The shift of the wavelength minima offers the possibility to calibrate highly accurate gas characteristics.
Der Ringresonator ist in sich geschlossen, kann jedoch eine beliebige Umrissform haben.The ring resonator is self-contained, but may have any outline shape.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist dem Ringresonator ein weiterer Wellenleiter zugeordnet. In ihn wird das im Ringresonator laufende Modemspektrum bzw. die diskreten Wellenlängenmaxima teilweise ausgekoppelt. Das ausgekoppelte Licht kann separat einem Spektrometer zugeführt werden, mit dem das ausgekoppelte Licht ausgewertet wird.In an advantageous embodiment, the ring resonator is assigned a further waveguide. The modems spectrum or the discrete wavelength maxima running in the ring resonator are partially decoupled into it. The decoupled light can be fed separately to a spectrometer, with which the decoupled light is evaluated.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Ringresonatoren hintereinander längs des Wellenleiters angeordnet. Eine solche Ausbildung erlaubt eine bessere Messung des Spurenfeuchtegehaltes. Auch können die mehreren Ringresonatoren so ausgebildet sein, dass sie unterschiedlich große Poren aufweisen, so dass bei mehreren Ringresonatoren auch unterschiedliche Spurenbestandteile in einem Messvorgang erfasst werden können. Die Porengröße ist hierbei an den zu erfassenden Spurenbestandteil angepasst. So können beispielsweise durch entsprechende Porengröße der Ringresonatoren gleichzeitig unterschiedliche Konzentrationen von H2O und/oder anderen Molekülen in Messgasen erfasst werden.In an advantageous embodiment, a plurality of ring resonators are arranged one behind the other along the waveguide. Such a design allows a better measurement of the trace moisture content. Also, the plurality of ring resonators may be formed so that they have different sized pores, so that when several ring resonators and different trace constituents can be detected in a measurement process. The pore size is adapted to the trace constituent to be detected. Thus, for example, by corresponding pore size of the ring resonators simultaneously different concentrations of H 2 O and / or other molecules can be detected in sample gases.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung können die mehreren Ringresonatoren zwischen den beiden Wellenleitern liegen, so dass die Ringresonatoren das eingekoppelte Licht in den weiteren Wellenleiter wenigstens teilweise auskoppeln. Über den weiteren Wellenleiter besteht somit die Möglichkeit, weitere diskrete Wellenlängenmaxima auf die Modenspektren der weiteren Ringresonatoren aufzuaddieren und einem Spektrometer oder einem ähnlichen Messgerät zuzuführen. In an advantageous embodiment, the plurality of ring resonators may be located between the two waveguides, so that the ring resonators at least partially decouple the coupled light in the other waveguide. The further waveguide thus makes it possible to add additional discrete wavelength maxima to the mode spectra of the further ring resonators and to feed them to a spectrometer or a similar measuring device.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befinden sich zwischen den beiden Wellenleitern zwei aneinander liegende Ringresonatoren.In a further advantageous embodiment, two adjacent ring resonators are located between the two waveguides.
Es können bei einer weiteren Ausführungsform mehrere solcher paarweise aneinanderliegenden Ringresonatoren hintereinander zwischen den beiden Wellenleitern vorgesehen sein.In a further embodiment, a plurality of such annular resonators arranged in pairs may be provided one behind the other between the two waveguides.
Der/die Ringresonator/-en und der/die Wellenleiter können auf einem Träger vorgesehen sein. Er kann beispielhaft aus Glas oder Kristall bestehen.The ring resonator (s) and the waveguide (s) may be provided on a carrier. It can be made of glass or crystal, for example.
Es ist aber auch möglich, dass der bzw. die Ringresonatoren sich auf dem Träger befinden, während der/die Wellenleiter in den Träger eingebettet sind. Der Wellenleiter ist dadurch geschützt im Sensor angeordnet.However, it is also possible for the ring resonator (s) to be located on the carrier while the waveguide (s) are embedded in the carrier. The waveguide is thus protected in the sensor.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der/die Ringresonator/-en am Außendurchmesser von einer Mantelschicht ganz oder teilweise umgeben sein. Diese Mantelschicht ist vorteilhaft wenigstens eine optische PVD-Schicht. Das Material der Mantelschicht hat eine Brechzahl, die kleiner ist als die Brechzahl des Materials des Ringresonators. Die Mantelschicht kann gegenüber dem zu messenden Gas oder der zu messenden Flüssigkeit sowohl als Schutzschicht als auch, mit definierter Porengröße, die kleiner ist als die Porengröße des Materials des Ringresonators, als Filterschicht als auch mit definierter Porengröße, die größer ist als die Porengröße des Materials des Ringresonators, als Einlagerungsschicht dienen.In an advantageous embodiment, the ring resonator (s) may be wholly or partially surrounded by a cladding layer on the outer diameter. This cladding layer is advantageously at least one optical PVD layer. The material of the cladding layer has a refractive index which is smaller than the refractive index of the material of the ring resonator. The cladding layer can be compared to the gas to be measured or the liquid to be measured both as a protective layer and, with a defined pore size, which is smaller than the pore size of the material of the ring resonator, as a filter layer and with a defined pore size, which is greater than the pore size of the material of the ring resonator, serve as a storage layer.
Der Wellenleiter kann aus ionenimplantierten Gläsern oder Kristallen oder optischen PVD-Schichten bestehen. Solche PVD-Schichten können beispielsweise aus SiO2 , ZrO2, TiO2 oder TaO5 bestehen.The waveguide may be made of ion-implanted glasses or crystals or PVD optical layers. Such PVD layers may for example consist of SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or TaO 5 .
Vorteilhaft weist der Ringresonator optische PVD-Schichten auf, die z. B. SiO2, ZrO2, TiO2 oder TaO5 . sein können.Advantageously, the ring resonator on optical PVD layers, the z. As SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or TaO . 5 could be.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.The subject of the application results not only from the subject matter of the individual claims, but also by all the information and features disclosed in the drawings and the description. They are, even if they are not the subject of the claims, claimed as essential to the invention, as far as they are new individually or in combination over the prior art.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Further features of the invention will become apparent from the other claims, the description and the drawings.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained below with reference to some embodiments shown in the drawings. Show it
Die Sensoren werden dazu verwendet, in Gasen und/oder Flüssigkeiten Spurenfeuchte oder Spurengase zu messen. Beispielsweise wird mit dem Sensor der Feuchtegehalt in Erdgas ermittelt. Hierzu ragt der Sensor so in die Erdgasleitung, dass er vom durchströmenden Erdgas erfasst wird. Der Sensor ist an ein (nicht dargestelltes) Messgerät angeschlossen, das die vom Sensor kommenden Signale erfasst und in bekannter Weise auswertet. Der ermittelte Feuchtegehalt wird mit einer Auswerteeinheit des Messgerätes einem Taupunkt zugeordnet.The sensors are used to measure trace moisture or trace gases in gases and / or liquids. For example, the sensor determines the moisture content in natural gas. For this purpose, the sensor protrudes into the natural gas pipeline so that it is detected by the natural gas flowing through it. The sensor is connected to a measuring device (not shown) which detects the signals coming from the sensor and evaluates them in a known manner. The determined moisture content is assigned to a dew point by means of an evaluation unit of the measuring device.
Nachfolgend wird der optische Sensor am Beispiel eines Feuchtesensors beschrieben. Er kann auch als Gassensor ausgebildet sein, mit dem Spurengase im Medium erfasst und gemessen werden können.The optical sensor will be described below using the example of a humidity sensor. It can also be designed as a gas sensor with which trace gases in the medium can be detected and measured.
Der Feuchtesensor hat bei der Ausführungsform gemäß
Der Ringresonator
Das zur Messung des Feuchtegehaltes notwendige Licht wird über einen Wellenleiter
Die Dicke der porösen Schicht liegt beispielhaft bei einigen 100 nm. Dieser Wert ist allerdings nicht als beschränkend zu verstehen. Die Schicht hat eine solche Dicke, dass eine optimal schnelle Anpassung an wechselnde Feuchteverhältnisse in einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom möglich ist.The thickness of the porous layer is for example some 100 nm. However, this value is not to be understood as limiting. The layer has such a thickness that an optimally fast adaptation to changing moisture conditions in a gas or liquid stream is possible.
Der Ringresonator ist ein Ringwellenleiter, in dem sich eine fortlaufende Welle aufgrund der Totalreflexionsfähigkeit des Ringwellenleiters ausbildet.The ring resonator is a ring waveguide in which a continuous wave is formed due to the total reflection capability of the ring waveguide.
Der kleinste Abstand
Der Ringresonator
Befindet sich im zu prüfenden Medium Feuchtigkeit, im Beispielsfall Wasser, dann lagern sich die Wassermoleküle in der porösen Schicht des Ringresonators
Anhand der Wellenlängenverschiebung, die sich im Transmissionsspektrum bzw. in den herausgefilterten Wellenlängenminima sichtbar macht, lässt sich mit hoher Genauigkeit der Feuchtigkeitsgehalt im Analysten bestimmen. Dies wird anhand der nachfolgenden Ausführungsform des Sensors näher erläutert.On the basis of the wavelength shift, which is visible in the transmission spectrum or in the filtered-out wavelength minima, the moisture content in the analyst can be determined with high accuracy. This will be explained in more detail with reference to the following embodiment of the sensor.
Bei der Ausführungsform gemäß
Die Temperatur des Mediums würde sich beispielhaft, wie in
Die
Bei einem noch größeren Wasseranteil verschiebt sich das in
Diese Beispiele zeigen, dass die Wellenlängenverschiebung mit hoher Genauigkeit erfasst und dementsprechend auch der Feuchtegehalt im zu messenden Medium sehr genau bestimmt werden kann.These examples show that the wavelength shift is detected with high accuracy and accordingly the moisture content in the medium to be measured can be determined very accurately.
Die beiden Wellenleiter
Aus dem Transmissionsspektrum, das sich beim Einkoppeln des Lichtes
Bei der Ausführungsform gemäß
Der Einsatz zweier nebeneinander liegender Ringresonatoren
In
Beim Ausführungsbeispiel nach
Auch bei dieser Ausführungsform können, wie durch die Punkte angedeutet, weitere Ringresonatoren in beiden senkrechten Reihen vorgesehen werden, je nach Einsatzfall des Sensors.Also in this embodiment, as indicated by the points, further ring resonators can be provided in both vertical rows, depending on the application of the sensor.
Die
Auf der Trägeroberseite
Das in den Wellenleiter
Die Ausführungsform gemäß
Die Mantelschicht
Die Ausbildung gemäß den
Auf der Schicht
Auf diese Weise sind auf dem Träger
Bei den Ausführungsformen mit mehreren Ringresonatoren besteht die Möglichkeit, die Ringresonatoren auf unterschiedliche Spurenbestandteile abzustimmen. So kann beispielsweise mit Hilfe des einen Ringresonators Wasser und mit Hilfe des anderen Ringresonators Ammoniak im Medium in einem Messvorgang erfasst werden. Die Porengröße ist an die Molekülgröße der zu erfassenden Spurenbestandteile angepasst. Nachfolgend sind die Molekülgrößen einiger Spurenbestandteile angegeben:
Die Poren des Ringresonators sind an die oben angegebenen Molekülgrößen so angepasst, dass sich die entsprechenden Moleküle in den Poren ablagern können.The pores of the ring resonator are adapted to the molecular sizes given above so that the corresponding molecules can be deposited in the pores.
Die Ringresonatoren
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