Die Erfindung betrifft ein stabilisiertes faseroptisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Das Meßgerät ist mit Anordnungen versehen, um bei Messungen mit analogen faseroptischen Gebern die Instabilitäten zu kompensieren, die in Leuchtdioden, Fotodioden, Fotostromverstärkern, Leuchtdiodenelektroniken, Fasern, Faserkontakten, Faserhaltern, Gebermechaniken usw. auftreten.

Das Meßgerät nach der Erfindung dient zur Verwendung bei der faseroptischen Messung von verschiedenen physikalischen Größen, wie Lage, Beschleunigung, Kraft, Druck, Dehnung, Temperatur usw. Bei einem solchen Meßgerät wird das Licht vom Geber in mindestens zwei Komponenten aufgeteilt, nämlich in eine Meßkomponente, die Informationen über die zu messende Größe und den Zustand der Optoelektronik enthält, und mindestens eine Stabilisierungskomponente, die Informationen über den Zustand der Optoelektronik enthält. Die Meßkomponente und die Stabilisierungskomponente werden mittels elektronischer Filter voneinander getrennt, die mit dem optischen Detektor des Meßgerätes verbunden sind, und nach der Demodulation der Stabilisierungskomponente erhält man ein Signal, das als "Kompensationssignal" bezeichnet wird und dazu dient, die Abhängigkeit des Meßsignals von den vorgenannten Instabilitäten im Meßgerät zu beseitigen. Das Meßsignal kann dabei durch Quotientenbildung aus der Meßkomponente und dem Kompensationssignal gewonnen werden oder aus der Meßkomponente direkt, wenn das Kompensationssignal einen Regler für die Speiseleistung der Lichtquelle des Meßgerätes oder den Verstärker für das Detektorsignal des Meßgerätes steuert. Was die Erfindung im übrigen kennzeichnet, geht aus den Patentansprüchen hervor.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

• Fig. 1 die Regelung der Lichtquelle mit einem nichtperiodischen Signal,
• Fig. 2 die Regelung der Lichtquelle mit einem periodischen Signal,
• Fig. 2a eine Variante mit elektrischer Modulation,
• Fig. 3 die Regelung der Lichtquelle mit einer Rechteckwelle,
• Fig. 4 eine Geberanordnung mit einer Faser und Quotientenbildung,
• Fig. 4a eine Variante von Leuchtdiode und Fotodiode,
• Fig. 5 einen Geber mit einer Faser und einen das Faserende zur Hälfte'überdeckenden Spiegel,
• Fig. 6 einen Geber mit einer Faser und zwei relativ zueinander beweglichen Rastern,
• Fig. 7 einen weiteren Geber mit einer Faser und zwei relativ zueinander beweglichen Rastern,
• Fig. 8 einen Geber mit optischen DUnnfilm-Modulatoren.

Figur 1 zeigt ein Meßgerät zur dynamischen Messung, in welchem eine Leuchtdiode 1 ein konstantes Licht in eine lichteinleitende Faser 2 sendet. Zwischen dem Ausgangsende dieser Faser und dem Eingangsende einer lichtfortleitenden Faser 7 ist ein Luftspalt vorhanden, in dem ein Schirm 3 eines allgemein mit S bezeichneten Geber beweglich angeordnet ist. Der Geber enthält ein mechanisches System 4, mit dessen Hilfe eine Meßgröße 5 in eine Bewegung des Schirms 3 umgewandelt wird, der sich in dem genannten Luftspalt befindet. Das System 4 arbeitet in einem bestimmten Frequenzbereich, und die Bewegung des Schirms 3 im Luftspalt verursacht eine Intensitätsmodulation des in die lichtfortleitende Faser 7 einfallenden Lichtes.

Um einen linearen Zusammenhang zwischen der Bewegungsamplitude des Schirms 3 und der Variation des Lichts in der Faser 7 zu erreichen, ist im Luftspalt ein linearisierender Spalt 6 angeordnet. Der Spalt kann so ausgeführt sein, daß man ein beispielsweise rechteckiges Strahlenbündel erhält, dessen Querschnitt davon bestimmt wird, ein wie großer Teil des Spalts vom Schirm abgedeckt ist. Das Licht in der lichtfortleitenden Faser 7 wird auf eine Fotodiode 8 geleitet und in einem Verstärker 9 auf ein geeignetes Niveau verstärkt. Ein Teil des von der Leuchtdiode 1 in die Faser 2 gelangenden Lichtes wird über eine schräg verlaufende Verbindungsstelle 39 in der Faser 2 auf die Fotodiode 40 geleitet, deren Fotostrom in einem Verstärker 41 verstärkt wird. In einer Elektronikeinheit 42 wird eine Korrelation durchgeführt, wobei die Störungen am Ausgang des Verstärkers 41 mit den Störungen am Ausgang des Verstärkers 9 derart korreliert wird, daß das Ausgangssignal von der Elektronikeinheit 42 aus dem Detektorsignal besteht, nachdem die Störungen von der Leuchtdiode 1 fortkorreliert sind. Die einfachste Art, diese Korrelation durchzuführen, besteht darin, daß man das Ausgangssignal des Verstärkers 41 vom Ausgangssignal des Verstärkers 9 subtrahiert und die Verstärkung des Verstärkers 41 so steuert, daß man ein Minimum an Störungen am Differenzsignal erhält, welches dann auch das Ausgangssignal von der Elektronikeinheit 42 ist. Das Ausgangssignal von der Elektronikeinheit 42 wird einerseits einem Tiefpaßfilter 12 und andererseits einem Bandpaßfilter 14 zugeführt, dessen Durchtrittsfrequenzbereich dem Frequenzbereich des Systmes 4 entspricht. Das Ausgangssignal U(t) des Filters 14 stellt das Meßsignal des Meßgerätes dar. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters'12 wird mit einem Sollwertsignal Vp_ef in einem Summierungsglied 11 verglichen, und das Ausgangssignal dieses Summierungsgliedes steuert einen Regler 13, der das Speiseglied 10 der Leuchtdiode 1 auf solche Weise steuert, daß das Ausgangssignal vom Filter 12 gleich V_ref wird. Dadurch erhält man eine Kompensation für die Parametervariationen in dem Speiseglied 10, der Leuchtdiode 1, der Faser 2, der Faser 7, der Fotodiode 8 und dem Verstärker 9. Durch die gestrichelte Linie vom Ausgang des Reglers 13 zum Verstärker 9 wird angedeutet, daß der Regler 13 auch die Verstärkung des Verstärkers 9 steuern kann, wobei das Speiseglied 10 mit einer konstanten Eingangsgröße beaufschlagt wird.

Die Anordnung nach Figur 1 kompensiert nicht die Nullpunktsveränderungen des Fotodetektors. Wenn eine solche Kompensation erforderlich ist, wird Wechsellicht sowohl für die Meß- wie für die Regelkomponente nach Figur 2 verwendet. Die Teile 1 - 10 in Fig. 2 sind mit den Teilen 1 - 10 in Figur 1 identisch. Das Speiseglied 10 für die Leuchtdiode 1 wird hier mit einer Wechselspannung mit der Frquenz f0 von einem Oszillator 18 über einen re- , gelbaren Verstärker 17 gespeist. Der Ausgang des Verstärkers 9 ist an ein Bandpaßfilter 15 mit der Durchtrittsfrequenz f₀ angeschlossen. Das gefilterte Signal wird in einem Gleichrichter 16 gleichgerichtet und über das Tiefpaßfilter 12 einem Summierungsglied 11 zugeführt, wo das Signal mit der Sollwertspannung V_ref verglichen wird. Das Ausgangssignal vom Glied 11 wird als Fehlersignal einem Regler 13 zugeführt, der den Verstärker 17 steuert, dessen Ausgangssignal das Speiseglied 10 steuert. Die Leuchtdiode 1 wird so gesteuert, daß das Ausgangssignal vom Tiefpaßfilter 12 auf V_ref geregelt wird. Der Verstärker 17 steuert die Amplitude des Wechselsignals, das vom Oszillator 18 erzeugt wird. In seiner einfachsten Form kann der steuerbare Verstärker 17 ' aus einem Multiplikatorglied oder aus einem regelbaren Spannungsteiler mit einem vom Regler 13 spannungsgesteuerten Feldeffekttransistor bestehen. Die Frequenz f0 des Oszillators 18 soll mindestens doppelt so groß sein wie die höchste vorkommende Frequenz des Meßsignals zur Erfüllung des Abtasttheorems. Das Meßsignal erhält man durch Demodulation des Ausgangssignals vom Verstärker 9 im Filter 14. Die Frequenz f₀ kann als Trägerfrequenz des Meßgerätes bezeichnet werden, und man kann sagen, daß die Trägerwelle von der Bewegung des Schirms 3 im Geber amplitudenmoduliert wird.

Figur 2a zeigt, daß das Meßsignal ein elektrisches Signal sein kann. Das Licht von der Leuchtdiode 1 geht durch die Faser 2 zu der im Geber angeordneten Fotodiode 35, deren Fotostrom in einem Verstärker 36 verstärkt und danach einem regelbaren Verstärker 37 als Steuersignal zugeführt wird. Die Meßspannung Um wird im Verstärker 37 verstärkt und speist die Leuchtdiode 38, die Licht in die lichtfortleitende Faser 7 zur Fotodiode 8 sendet. Die Elektronik zur Erzeugung des Meßsignals und zur Steuerung der Leuchtdiode 1 ist dieselbe, wie in Figur 2 dargestellt. Die Modulation des Signals in der Faser 2 erfolgt in diesem Fall auf elektrischem Wege statt auf mechanischem Wege, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt.

Figur 3 zeigt ein Meßgerät mit einem etwas einfacheren Elektroniksystem als das in Figur 2. Diese Vereinfachung wird dadurch erreicht, daß die Trägerwelle eine Rechteckwelle 28 ist, die man vom Ausgang eines Analogschalters 20 erhält. Dabei erhält man vom Fotostromverstärker 9 eine vom Sensor amplitudenmodulierte Rechteckwelle 29. Diese Rechteckwelle wird über ein Hochpaßfilter 21-einem Multiplikator 22 zugeführt, in dem das Ausgangssignal des Filters 21 mit dem Ausgangssignal 30 eines Rechteckwellenoszillators 23 multipliziert wird. Das Meßsignal erscheint am Ausgang eines Bandpaßfilters 24, während der Zustand der Optoelektronik am Ausgang eines Tiefpaßfilters 25 entnommen wird. Die obere.Grenzfrequenz dieses Filters wählt man niedriger als die.untere Grenzfrequenz des Meßsignals. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 25 wird in einem Summierungsglied 27 mit dem Sollwertsignal V_ref verglichen, und das Differenzsignal wird einem Integrator 26 zugeführt, der die Amplitude der Rechteckwelle für das Speiseglied 10 steuert, so daß das Ausgangssignal des Filters 25 gleich V_ref wird. Dadurch wird eine Kompensation der Parametervariationen des Optogliedes sichergestellt. Das Signal 30 vom Oszillator 23 wird zur Steuerung des Schalters 20 verwendet, und die Frequenz f₀ muß mindestens doppelt so groß gewählt werden, wie die höchste vorkommende Meßfrequenz.

Die anfangs beschriebenen Anordnungen eignen sich auch für faseroptische Meßgeräte mit nur einer Faser zwischen Geber und Leucht- und Fotodiode. Eine solche Anordnung ist in Figur 4 dargestellt. Das von der Leuchtdiode 1 ausgestrahlte Licht wird über die Faser 2 in eine Faser 31 eingeleitet, die das Licht zum Geber leitet. Dieser besteht aus einem linearisierenden Spalt 6 in dem Luftspalt, in dem sich der Schirm 3 bewegt, sowie aus einem Spiegel 32, der einen Teil des ausgesandten Lichtes in die Faser 31 zurückreflektiert. Von dieser Faser wird ein Teil des reflektierten Lichtes über die Faser 7 auf die Fotodiode 8 geleitet. Der Fotostrom dieser Diode wird vom Verstärker 9 verstärkt und von den Filtern 14 und 12 in eine Meß- und eine Stabilisierungskomponente aufgeteilt. Die Ausgangssignale von den beiden Filtern werden einem Divisionsglied 19 zugeführt, dessen Ausgangssignal, das aus dem Quotienten aus den be'den genannten Komponenten besteht, das Meßsignal U(t) bildet. Dieses Divisionsglied kompensiert das Meßsignal hinsichtlich der Instabilitäten in der Optoelektronik und der Faseroptik. Statt der gezeigten optischen Sternschaltung zwischen den Fasern 2, 7 und 31 kann eine Leucht- und Fotodiodenanordnung gemäß Figur 4a verwendet werden, wodurch man weniger Lichtverluste erhält. Die Leuchtdiode 1 sendet Licht in die Mitte der Stirnfläche der Faser 31, während die ringförmige Fotodiode 9, die konzentrisch um die Leuchtdiode angebracht ist, das vom Spiegel 32 in die Faser 31 hineinreflektierte Licht aufnimmt.

Figur 5 zeigt eine Variante des optischen Gebers gemäß Figur 4. Die Faser 31 ist hier in einem Gebergehäuse 33 befestigt, und der Teil 34 der Faser, der sich innerhalb des Gebergehäuses befindet, kann wie ein einseitig fest eingespannter Balken schwingen, wobei sich die Stirnfläche des Faserteils 34 vor einem Spiegel 43 bewegt, der im Ruhezustand des Teils 34 dessen Stirnfläche zur Hälfte überdeckt. Wenn sich die Stirnfläche des Teils 34 im Sinne der Figur nach oben bewegt, dann wird weniger Licht in die Faser heineinreflektiert, und wenn sich das Faserende nach unten bewegt, wird mehr Licht in die Faser hineinreflektiert. Dagegen ist der Geber gegenüber Bewegungen senkrecht zur Zeichenebene unempfindlich. Da das Faserende sich wie ein mechanisches Schwingungssystem zweiter Ordnung verhält, dient der Geber als ein optisches Akzelerometer.

Um die Empfindlichkeit und gleichzeitig die Linearität des geometrisch-cptischen Gebers zu steigern, kann eine Rasteranordnung nach den Figuren 6 und 7 angewandt wer~ den. Gemäß Figur 6 wird das Licht von der Faser 31 über ein "indexmatchendes" Material 44, d.h. ein solches, welches einen gleichen optischen Index hat, in eine lichtleitende Glas- oder Quarzplatte 45 geleitet. Diese Platte ist auf der Unterseite mit einem dünnen, reflektierenden Raster 46 belegt, das beispielsweise durch ein Verdampfungsverfahren aufgebracht ist. Durch dieses Raster wird ein Teil des Lichtes über ein "indexmatchendes" Material 47 und ein anderes Raster 50 in eine lichtleitende Platte 48 geleitet. Diese Platte ist an ihren Stirnflächen mit reflektierenden Schichten 49 belegt, mit deren Hilfe das Licht zurückreflektiert wird, und zwar durch das Material 47 in die Platte 45 und von dort in die Faser 31. Die Menge des in die Faser 31 zurückgelangenden Lichtes wird von der Verbindung zwischen den Platten 45 und 48 bestimmt, die ihrerseits von der relativen Lage zwischen den Rastern 46 und 50 bestimmt wird. Die Platte 48 ist am Boden eines Gebergehäuses 51 befestigt, während die Platte 45 an einem beweglichen Massekörper 52 befestigt ist. Dieser Massekörper wird von einer Feder 53 nach unten gedrückt, um den Abstand zwischen den Rastern 46 und 50 möglichst klein zu halten. In seitlicher Richtung wird der Massekörper 52 von Federn 54 festgehalten. Der beschriebene Geber arbeitet wie ein Akzelerometer, das in Richtung des Pfeils 55 empfindlich ist, wobei die Gravitationsmasse 52 und die Federkonstante der Federn und eventuell des- "indexmatchenden" Materials 47 bestimmt wird. Alternativ kann das Licht aus der Faser 31 direkt in die untere Platte 48 geleitet werden, wobei dann die obere Platte 45 mit spiegelnden Stirnseiten versehen wird.

Figur 7 zeigt, daß das Licht aus der Faser 31 senkrecht zu den Flächen der Platten 45 und 48 in die Raster hineingeleitet wird. Das Licht dringt über das "indexmatchende" Material 44 in die Platte 45 ein und von dort durch das Raster 46, das Material 47 und das Raster 50 in die Platte 48. Es wird dann von einer spiegelnden Fläche 56 auf der Rückseite der Platte 48 reflektiert und geht durch die Raster zurück, wobei ein Teil des reflektierten Lichtes zurück in die Faser 31 gelangt. Dieser Geber arbeitet wie ein Dehnungsgeber. Di Platte 48 ist an einem Punkt 58 mit ihrem unteren Ende an einer Kraftmeßzelle 57 befestigt, während die Platte 45 mit ihrem oberen Ende über einen Bügel 59 mit der Kraftmeßzelle 57 verbunden ist. Wenn eine Kraft F auf die Kraftmeßzelle 57 wirkt, wird diese zusammengedrückt, wobei sich die Raster 46 und 50 relativ zueinander verschieben und eine Modulation des von der Faser 31 eingeleiteten Lichtes verursachen. Um den Abstand zwischen den beiden Rastern möglichst klein zu halten, ist zwischen dem Gebergehäuse 51 und der Platte 45 eine Feder 60 angeordnet.

Figur 8 zeigt ein Meßgerät mit optischen Dünnfilm-Modulatoren 76 und 77. Diese modulieren das Licht in Dünnfilmlichtleiter 86 in dem Dünnfilmsubstrat 85. Licht von einem Laserhalbleiter 74, der von einem Speiseglied 73 gespeist wird, wird in eine "Monomod"-Faser 75 eingeleitet, die an den Lichtleiter 86 angeschlossen ist, der beispielsweise ein Ti-diffundiertes LiNbO₃-Kristall sein kann. Dieses Licht wird von den genannten elektrooptischen Modulatoren 76 und 77 moduliert, bevor es in eine Faser 78 geleitet wird, die das modulierte Licht zu einem Fotodetektor" 79 leitet, dessen Fotostrom in einem Verstärker 80 verstärkt wird. Der Modulator 77 wird von dem Meßsignal U_in gesteuert, während der andere Modulator 76 von einer Fotodiode 71 über einen Strom/ Spannungsumwandler 72 gesteuert wird. Die Fotodiode 71 wird über eine Faser 70 mit moduliertem Licht von einer Leuchtdiode oder einem Laserhalbleiter 69 beaufschlagt, die /der von einer Speisevorrichtung 68 und einem Oszillator 67 mit aer Frequsnz f₀ gespeist wird. Das empfangene Signel, das am Ausgang des Verstärkers 80 auftritt, wird von zwei Bandpaßfiltern 81 bzw. 82 in eine Meß- und eine Stabilisierungskomponente zerlegt. Nach der Demodulation der Stabilisierungskomponente f₀ in einem Demodulator 83 und der Quotientenbildung aus der Meßkomponente f_m und dem Stabilisierungssignal, dem die demodulierte Stabilisierungskomponente f_o entspricht, erhält man am Ausgang des Divisionsgliedes 84 ein Meßsignal, das durch die Quotientenbildung gegenüber Instabilitäten in der Optoelektronik und der Faseroptik kompensiert ist.

Zu der Wirkungsweise der im Zusammenhang mit der Elektronikeinheit 42 in Fig. 1 oben (Seite 3 unten) genannten Korrelation wird ergänzend bemerkt: Die Intensität des von der Leuchtdiode 1 ausgesandten Lichtes soll konstant sein. In der Praxis läßt sich diese Konstanz infolge verschiedener Störeinflüsse nicht völlig verwirklichen. Vielmehr sind dem konstanten Wert Störungen (Oberwellen) überlagert. Diese können im Ausgangssignal des Detektors 8 ein in Wirklichkeit nicht vorhandenes Meßsignal vortäuschen. Aus diesem Grunde wird ein Teil des von der Leuchtdiode 1 in die Faser 2 gesandten Lichtes über die Verbindungsstelle 39 und die Fotodiode 40 abgeleitet. Dieses Licht wird so weit verstärkt, daß die Störungen genau so groß werden wie die Störungen, die über die Fasern 2 und 7 und den Detektor 8 an den Ausgang des Verstärkers 9 gelangen. Werden dann die beiden Ausgangssignale der Verstärker 41 und 9 voneinander subtrahiert, dann sind die im Licht der Diode 1 : enthaltenen Störungen im Differenzsignal nicht mehr vorhanden. Bei einer gleichmäßigen Verstärkung des von der Fotodiode 40 aufgenommenen Lichtes würde bei diesem Vorgang auch der konstante Anteil (Mittelwert) des von der Diode 1 ausgesandten Lichtes im Ausgangssignal der Elektronikeinheit 42 verschwinden. Da dieser konstante Anteil jedoch für die Regelung der Lichtintensität der Leuchtdiode 1 über den durch die Glieder 12 und 11 geschlossenen Regelkreis erforderlich ist, wird dieser konstante Anteil in den Verstärker nicht oder nur in geringerem Maße als die störenden Oberwellen verstärkt. Auf diese Weise bleibt der konstante Anteil ganz oder teilweise im Ausgangssignal der Elektronikeinheit 42 erhalten, während die überlagerten Störungen beseitigt sind.