DE19644885A1 - Highly sensitive temperature measurement in areas with strong electromagnetic contamination - Google Patents
Highly sensitive temperature measurement in areas with strong electromagnetic contaminationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen polarimetrischen Temperatur- und Feldstärkesen sor.The invention relates to a fiber optic polarimetric temperature and field strength sor.
Zur Messung der elektromagnetischen Feldstärke wird vielfach ihr Einfluß auf Materie und die damit
verbundene Temperaturerhöhung herangezogen. Dies erfolgt durch eine Messung der sogenannten spezi
fischen Absorptionsrate (SAR):
In order to measure the electromagnetic field strength, their influence on matter and the associated temperature increase is often used. This is done by measuring the so-called specific absorption rate (SAR):
Dabei ist |E| der Effektivwert der elektrischen Feldstärke, σ die Leitfähigkeit des Materials, ρ die Dich te, c die Wärmekapazität und dT/dt der zeitliche Anstieg der Temperatur ohne Berücksichtung von Ausgleichsvorgängen. Bei bekannten Materialparametern σ, ρ und c kann somit durch die Messung des zeitlichen Temperaturanstiegs der Effektivwert der elektrischen Feldstärke angegeben werden.Where is | E | the effective value of the electric field strength, σ the conductivity of the material, ρ the dich te, c the heat capacity and dT / dt the temporal increase in temperature without taking into account Compensation operations. With known material parameters σ, ρ and c, measuring the the effective temperature of the electric field strength can be specified.
Metallische Temperaturfühler beeinflussen die Feldstärkeverteilung und verfälschen somit die Messung. Faseroptische Temperatursensoren beeinflussen hingegen die elektromagnetische Feldverteilung nur sehr geringfügig, weisen ein kleines Meßvolumen auf und sind über einen großen Meßbereich einsetzbar.Metallic temperature sensors influence the field strength distribution and thus falsify the measurement. Fiber-optic temperature sensors, on the other hand, only have a very strong influence on the electromagnetic field distribution slight, have a small measuring volume and can be used over a large measuring range.
Faseroptische Temperatursensoren nutzen entweder den Einfluß der Temperatur auf die Lichtführungsei genschaften der Glasfaser - und somit auf die Lichtintensität in der Faser - oder auf die Phase (interfe rometrische Sensoren) bzw. Polarisation (polarimetrische Sensoren) des Lichts in der Glasfaser. Interfe rometrische Sensoren sind sehr temperaturempfindlich, jedoch gilt dies auch schon für die Zuleitungen, d. h. der Sensorbereich ist nicht genau lokalisierbar, deshalb ist dieses Meßprinzip sehr problematisch. Polarimetrische Sensoren nutzen die temperaturabhängige Änderung der Doppelbrechung in der Faser, die Temperaturabhängigkeit ist besonders stark bei stark doppelbrechender Faser, deshalb wird für diese Art von Sensoren meist eine kommerziell erhältliche HiBi-Faser (High Birefringent) verwendet. Auch hier ist die Zuleitung zum eigentlichen Sensorbereich temperaturempfindlich.Fiber optic temperature sensors either use the influence of temperature on the light guiding properties of the glass fiber - and thus on the light intensity in the fiber - or on the phase (interfe rometric sensors) or polarization (polarimetric sensors) of the light in the glass fiber. Interfe rometric sensors are very sensitive to temperature, but this also applies to the supply lines, d. H. the sensor area cannot be precisely located, so this measuring principle is very problematic. Polarimetric sensors use the temperature-dependent change in birefringence in the fiber, The temperature dependency is particularly strong in the case of strongly birefringent fibers, which is why for this Type of sensors mostly uses a commercially available HiBi fiber (high birefringent). Here too the supply line to the actual sensor area is temperature sensitive.
Die Änderung der Doppelbrechung mit der Temperatur bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen den Eigenmoden des polarimetrischen Sensors. Zur Auswertung müssen daher beide Eigenmoden angeregt sein. Um eine größtmögliche Empfindlichkeit zu erzielen, müssen beide Eigenmoden gleich stark angeregt werden. Wird nur ein Eigenmode angeregt, so bewirkt die Änderung der Doppelbrechung keine Polari sationsänderung. Wegen der Abhängigkeit der Empfindlichkeit vom eingekoppelten Polarisationszustand müßte dieser konstant gehalten werden. Bei einer Zuleitung mit einer Faser, die nicht stark doppelbre chend ist, ist dies jedoch nicht sicher und langzeitstabil zu realisieren.The change in birefringence with temperature causes a phase shift between the Eigenmodes of the polarimetric sensor. Both eigenmodes must therefore be excited for the evaluation be. In order to achieve the greatest possible sensitivity, both eigenmodes must be excited equally strongly will. If only one eigenmode is excited, changing the birefringence does not cause a polar station change. Because of the dependence of the sensitivity on the coupled polarization state this would have to be kept constant. In the case of a feed line with a fiber that is not very double However, this is not certain and can be realized in the long term.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen empfindlichen faseroptischen Temperatursensor möglichst geringer Baugröße bei gleichzeitig möglichst großer Faserlänge und großer induzierter Doppelbrechung zu schaffen. The object of the invention is to minimize a sensitive fiber optic temperature sensor To create size with the greatest possible fiber length and large induced birefringence.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Faser
wird zu einer Spule gewickelt. Da kleine Biegeradien das Licht in normalen Glasfasern stark dämpfen,
wird hier eine spezielle biegeunempfindliche Glasfaser benutzt, die auch Biegeradien von weniger als 2 mm
bei einer Dämpfung von weniger als 0.1 dB pro Windung ermöglicht. Alle unten angegebenen Zahlen
werte und Messungen beziehen sich auf diese Faser mit einem Kerndurchmesser von 6, 3 µm, Cladding
125 µm, Coating 250 µm, einer numerischen Apertur von N.A.=0,17 und einer Betriebswellenlänge für
monomodigen Betrieb von λ=1310 µm. Die Verwendung jeder anderen Faser ist dadurch jedoch nicht
ausgeschlossen. Durch die Biegung der Faser wird eine starke Doppelbrechung [1] Δβbiegung induziert,
die für die angegebene Faser durch
The stated object is achieved according to the invention with the features of the main claim. The fiber is wound into a spool. Since small bending radii strongly dampen the light in normal glass fibers, a special bend-insensitive glass fiber is used, which also enables bending radii of less than 2 mm with an attenuation of less than 0.1 dB per turn. All figures and measurements given below refer to this fiber with a core diameter of 6.3 µm, cladding 125 µm, coating 250 µm, a numerical aperture of NA = 0.17 and an operating wavelength for single-mode operation of λ = 1310 µm. However, the use of any other fiber is not excluded. The bending of the fiber induces a strong birefringence [1] .DELTA..beta. Bending that for the specified fiber
abgeschätzt werden kann. Bei einem Durchmesser von z. B. 2R=4 mm ergibt sich eine Doppelbrechung
von ca. Δβbiegung ≈ 625rad/m. Dieser Wert überschreitet die intrinsiche Doppelbrechung der Faser
(interne Doppelbrechung durch Herstellung) etwa um den Faktor 500. Somit kann die Temperaturemp
findlichkeit der Zuleitungen (1) und (2) gegenüber dem Sensorbereich vernachlässigt werden. Hierdurch
ist es möglich, Zuleitung und Sensor mit der gleichen Faser zu realisieren. Eine weitere Erhöhung der
Doppelbrechung und damit auch der Temperaturempfindlichkeit kann erzielt werden, indem die Faser
unter Zug auf einen Spulenkörper gewickelt wird. Die bei gleichzeitiger Biegung und Längung der Faser
induzierten lateralen Spannungen führen zu einer Doppelbrechung [2] Δβzug, die für die angegebene Faser
zu
can be estimated. With a diameter of z. B. 2R = 4 mm results in a birefringence of approx. Δβ bend ≈ 625rad / m. This value exceeds the intrinsic birefringence of the fiber (internal birefringence due to manufacture) by a factor of 500. The temperature sensitivity of the leads ( 1 ) and ( 2 ) in relation to the sensor area can thus be neglected. This makes it possible to implement the feed line and sensor with the same fiber. A further increase in birefringence and thus also temperature sensitivity can be achieved by winding the fiber on a bobbin under tension. The induced at the same time bending and elongation of the fiber lateral stresses lead to a birefringence [2] Δβ train, the specified for the fiber to
abgeschätzt werden kann. Bei einer moderaten Längenänderung von Δl/l=0.002 ergibt sich bei einem
Biegeradius von R=2 mm eine Doppelbrechung Δβzug ≈ 146, 8 rad/m. Die gesamte Doppelbrechung
Δβgesamt ergibt sich dann zu:
can be estimated. At a moderate change in length of .DELTA.l / l = 0.002 to 8 rad / m results in a bending radius of R = 2 mm a birefringence Δβ ≈ train 146. The total birefringence Δβ total then results in:
Δβges = Δβbiegung + Δβzug.Δβ tot = Δβ bend + Δβ train.
Die temperaturabhängige Änderung der Doppelbrechung kann als eine Änderung der Phasenverschiebung
Δϕ zwischen den beiden Eigenmoden der Faser ermittelt werden:
The temperature-dependent change in birefringence can be determined as a change in the phase shift Δϕ between the two eigenmodes of the fiber:
Δϕ(T) = Δβ(T) . l(T) mit l = Länge der Sensorfaser.Δϕ (T) = Δβ (T). l (T) with l = length of the sensor fiber.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Bestimmung der temperaturabhängigen Retardationsände rung des Sensors ein Meßaufbau benutzt, der die komplette Mueller-Matrix (Polarisationsübertragungs matrix) des Sensors einschließlich der Zuleitungen bestimmt. Dies erfolgt, indem nacheinander wenigstens vier verschiedene, linear unabhängige Einganspolarisationszustände in die Zuleitung eingespeist werden und mit Hilfe eines geeigneten Polarisationsanalysators die Polarisation am Ausgang gemessen wird.In a preferred embodiment, the temperature-dependent retardation changes are used tion of the sensor uses a measurement setup that uses the complete Mueller matrix (polarization transmission matrix) of the sensor including the leads. This is done by at least one after the other four different, linearly independent input polarization states can be fed into the feed line and the polarization at the output is measured with the aid of a suitable polarization analyzer.
Es kann gezeigt werden, daß aus dieser Mueller-Matrix eine Berechnung der Phasenverschiebung Δϕ des polarimetrischen Sensors möglich ist, welche unabhängig von der Polarisationsübertragung der Zuleitun gen ist.It can be shown that from this Mueller matrix a calculation of the phase shift Δϕ of polarimetric sensor is possible, which is independent of the polarization transmission of the supply gen is.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in derenTo further explain the invention, reference is made to the drawing, in which
Fig. 1 ein faseroptischer polarimetischer Temperatursensor skizziert ist. Fig. 1 is a fiber optic polarimetric temperature sensor is outlined.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein spe zielles Meßverfahren die von der Polarisationsübertragung in den Zuleitungen unabhängige Ermittlung der temperaturabhängigen Retardationsänderung gestattet. Fig. 2 shows a block diagram of an advantageous embodiment of the invention, in which a special measuring method allows the temperature-dependent retardation change to be determined independently of the polarization transmission in the feed lines.
Gemäß Fig. 1 wird eine Glasfaser mit den Zuleitungen 1 um einen Spulenkörper 2 gewickelt. Der Bereich 3, in dem die Faser um den Spulenkörper gewickelt ist, stellt den Sensorbereich dar. Der Spulenkörper kann sowohl ein Hohlzylinder als auch ein Vollzylinder sein.Referring to FIG. 1, a glass fiber is wound to the supply lines 1 around a bobbin 2. The area 3 in which the fiber is wound around the bobbin represents the sensor area. The bobbin can be both a hollow cylinder and a solid cylinder.
In einer bevorzugten Ausführungsform zur Temperaturmessung besteht der Spulenkörper aus einem Mate rial mit einem großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Geeignet sind zum Beispiel Polyacryl, PVC oder Polypropylen. Zur direkten Messung der Feldstärke elektromagnetischer Strahlung kann entweder der Spulenkörper aus einem Material bestehen, das absorbierend wirkt, oder aber der hohlzylindrische Spulenkörper wird mit einem, die elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medium gefüllt.In a preferred embodiment for temperature measurement, the coil former consists of a mate rial with a large coefficient of thermal expansion. For example, polyacrylic, PVC are suitable or polypropylene. To measure the field strength of electromagnetic radiation directly, either the bobbin consist of a material that has an absorbent effect, or the hollow cylindrical The coil body is filled with a medium that absorbs the electromagnetic radiation.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Kunststoffummantelung der Faser in der Länge der Wicklung entfernt. Die durch Dehnung des Zylinders auf die Faser wirkenden Spannungen werden dadurch verstärkt. Die Folge ist eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit.In a particularly preferred embodiment, the length of the plastic sheathing of the fiber the winding removed. The stresses acting on the fiber due to the expansion of the cylinder become thereby reinforced. The result is an increased sensitivity to temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Meßaufbaus wird gemäß Fig. 2 zur Bestimmung der Mueller-Ma trix des Sensors monochromatisches, vollständig polarisiertes Licht (z. B. einer DFB-Laserdiode 4) in einen Polarisationsmodulator 5 eingespeist, welcher die Polarisation kontinuierlich oder in Schritten ändert.In a preferred embodiment of the measuring 2 (eg. A DFB laser diode 4) according. To determine the Mueller-Ma of the sensor trix monochromatic completely polarized light fed to a polarization modulator 5, wherein the polarization varies continuously or in steps .
Die Eingangspolarisation P1 des Sensors 7 wird mit einer ersten geeigneten Polarisationsmeßeinheit 6 (Inline-Polarimeter) kontinuierlich bestimmt, während eine zweite Polarisationsmeßeinheit 8 die Polari sation P4 am Ausgang des Sensors bestimmt. Für vier oder mehr Eingangspolarisationszustände kann durch die Lösung des resultierenden linearen Gleichungssystems die komplette Mueller-Matrix berechnet werden und daraus wiederum die auf der Temperaturerhöhung basierende Phasenverschiebung Δϕ ermit telt werden. Bei genau vier Eingangspolarisationszuständen ist das Gleichungssystem eindeutig lösbar. Werden mehr als vier Polarisationen zur Berechnung verwendet, so kann mittels eines geeigneten nu merischen Verfahrens (z. B. Singulärwertzerlegung) der durch die Meßungenauigkeiten gegebene Fehler minimiert werden.The input polarization P 1 of the sensor 7 is determined continuously with a first suitable polarization measuring unit 6 (inline polarimeter), while a second polarization measuring unit 8 determines the polarization P 4 at the output of the sensor. For four or more input polarization states, the complete Mueller matrix can be calculated by solving the resulting system of linear equations, and the phase shift Δϕ based on the temperature increase can be determined from this. With exactly four input polarization states, the system of equations can be clearly solved. If more than four polarizations are used for the calculation, the error given by the measurement inaccuracies can be minimized using a suitable nuclear method (e.g. singular value decomposition).
Die Mueller-Matrix des gesamten Sensors Mges(T) in Abhängigkeit der Temperatur T setzt sich aus den
Mueller-Matrizen für die Zuleitungen M1, M4 und der Mueller-Matrix für den Sensorbereich MSensor(T)
zusammen. Nach dem Mueller Kalkül ergibt sich:
The Mueller matrix of the entire sensor M tot (T) as a function of the temperature T is composed of the Mueller matrices for the feed lines M 1 , M 4 and the Mueller matrix for the sensor area M sensor (T). According to the Mueller calculation:
Mges(T) = M2 . MSensor(T) . M1.M tot (T) = M 2 . M sensor (T). M 1 .
Wird die Mueller-Matrix Mges(T) zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1 und t2 mit den Tempe
raturen T1 und T2 gemessen, so ergibt sich mit
If the Mueller matrix M tot (T) is measured at two successive points in time t 1 and t 2 with the temperatures T 1 and T 2 , the result is with
Mges(T2) . Mges(T1)-1 = Y(T2 - T1)
M tot (T 2 ). M tot (T 1 ) -1 = Y (T 2 - T 1 )
eine resultierende Matrix Y(T2-T1). Aus den Komponenten yij der Matrix Y kann die Retardati
onsänderung Δϕ(t2-t1) des Sensorbereichs zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 zu
a resulting matrix Y (T 2 -T 1 ). From the components y ij of the matrix Y, the retardation change Δbereichs (t 2 -t 1 ) of the sensor area between the times t 1 and t 2 can
bestimmt werden. Es kann dabei gezeigt werden, daß die so bestimmte Retardationsänderung Δϕ un
abhängig von der Polarisationsänderung durch die Zuleitungen ist. Die Retardationsänderung Δϕ ist
direkt proportional zur Temperaturänderung ΔT=T2-T1:
be determined. It can be shown that the change in retardation Δϕ thus determined is independent of the change in polarization through the feed lines. The retardation change Δϕ is directly proportional to the temperature change ΔT = T 2 -T 1 :
Δϕ ∼ ΔT.Δϕ ∼ ΔT.
Der Proportionalitätsfaktor kann durch eine Referenzmessung mit bekannten Temperaturen bestimmt
werden.
Literatur:
[1] J. I. Sakai, T. Kimura, "Birefringence and polarization characteristics of single-mode optical fibers
under elastic deformations", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 17, pp. 1041-1051, 1981
[2] S. C. Rashleigh, R. Ulrich, "High birefringence in tension-coiled single-mode fibers", Optics Letters,
Vol. 5 No. 8, pp. 354-356, 1980.The proportionality factor can be determined by a reference measurement with known temperatures.
Literature:
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[2] SC Rashleigh, R. Ulrich, "High birefringence in tension-coiled single-mode fibers", Optics Letters, Vol. 5 No. 8, pp. 354-356, 1980.
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19644885A1 (en) |
Cited By (3)
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| DE19941832C1 (en) * | 1999-09-02 | 2001-03-01 | Reinhausen Maschf Scheubeck | Process for fiber optic temperature measurement and fiber optic temperature sensor |
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1996
- 1996-10-29 DE DE1996144885 patent/DE19644885A1/en not_active Withdrawn
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