DE19514852A1

DE19514852A1 - Verfahren und Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung

Info

Publication number: DE19514852A1
Application number: DE19514852A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Fuerstenau; Werner Jungbluth
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: US6008898A; DE19514852C2; JPH0933332A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung mit einem faseroptischen Sensor und eine Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrations messung mit einer Lichtquelle, einer Lichtleitfaser, einem Reflektor und einem Photode tektor.

Derartige Meßverfahren bzw. Meßanordnungen sind in der Literatur als Vibrations- und Abstandssensoren beschrieben.

Bei einer Ausführung wird eine Abstandsänderung zwischen einer Sende- und einer Empfangsfaser und einer reflektierende Oberfläche über die entsprechende Intensitäts änderung gemessen. Dabei werden als Lichtleitfaser Multimodefasern verwendet. Diese Sensoren sind zwar aufgrund der verwendeten Multimode-Fasertechnologie relativ ein fach zu realisieren, jedoch sind sie wegen ihres offenen Bauprinzips nur in relativ ge schützter Umgebung mit kurzen Glasfaserübertragungsstrecken verwendbar. Lange Übertragungsstrecken können wegen der starken Dämpfung in der Multimodefaser nicht realisiert werden. Derartige Sensoren werden beispielsweise von der Firma TETRA Ge sellschaft für Sensorik, Robotik und Automation mbH, Ilmenau, DE vertrieben.

Aus A. S. Gerges et al., "High-sensitivity fiber-optic accelerometer", OPTICS LETTERS, Vol. 14 (1989), Seiten 251 bis 253, ist ein faseroptischer Beschleunigungssensor auf der Basis eines Fabry-P´rot-Interferometers bekannt, bei dem eine durch die Beschleuni gung deformierbare Membran vorgesehen ist. Im Zentrum der Membran ist ein halbsphä rischer Spiegel befestigt, dem das Ende einer Lichtleitfaser gegenüber liegt. Bei Defor mation der Membran wird die Abstandsänderung zwischen Faserende und Spiegel inter ferometrisch nach dem Fabry-P´rot-Prinzip gemessen und daraus die Beschleunigung berechnet. Nachteilig ist, daß eine derartige Membran empfindlich und deren Einspan nung und Halterung aufwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein faseroptisches Meßverfahren bzw. eine Meßanordnung zu schaffen, bei dem bzw. der mit einem einfach aufgebauten und robusten Sensor Be schleunigungen und Vibrationen störunempfindlich auch über lange Glasfaserübertra gungsstrecken detektiert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß verfahrensgemäß die Phasenänderung eines an einem Ende einer Monomodefaser austretenden und an einem Spiegel wieder in die Fa ser zurückreflektierten Lichtbündels erfaßt wird, während das Ende der Monomodefaser frei aufgehängt schwingen kann. Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lichtleitfaser eine Monomodefaser ist und am Ende der Faser der Reflektor dicht beabstandet angeordnet ist, um eine Phasenänderung im Meßsignal bei Auslenkung des Faserendes hervorzurufen.

Mit der Erfassung der Phasenänderung eines in eine Monomodefaser rückreflektierten Lichtbündels wird ein faseroptisches Interferometer realisiert, das aufgrund seines opti schen Meßprinzips über lange Glasfaserstrecken aus lesbar ist. Folglich können die elek trischen Bauteile der Meßanordnung weit entfernt vom Meßort angeordnet sein. Störun gen am Meßort, wie etwa hohe Temperaturen, aggressive Umgebungsmedien, oder elektromagnetische Störungen können die elektrischen Bauteile nicht beeinflussen. Das Meßverfahren ist aufgrund der Möglichkeit der direkten Messung der Phasenänderung prinzipiell weitgehend unabhängig und unbeeinflußt von Intensitätsschwankungen. Der Aufbau des Sensors kann in Form eines Mikrointerferometers ähnlich dem extrinsischen Fabry-P´rot-Interferometer in miniaturisierter Form realisiert werden. Vorteilhaft ist von den elektrischen Bauteilen lediglich eine Monomodefaser zum Meßort zu verlegen. Der Installationsaufwand ist daher gering. Der Sensor ist folglich in vielen Bereichen, von der Medizin bis zur Strukturüberwachung, beispielsweise von Vibrationen an Bauwerken, Fahrbahnen oder Brücken bzw. zur Maschinenüberwachung, einsetzbar.

Mit einer langen Monomodefaserstrecke kann die Meßsignalauswertung weit entfernt vom Meßort durchgeführt werden. Ferner ist der Sensor an verschiedenen Meßorten ein setzbar, ohne daß die elektrischen Komponenten bewegt werden müssen.

Aus der leicht zu erfassenden Phasenänderung im Meßsignal kann die Auslenkung des freien Endes der Monomodefaser ermittelt werden. Die Auslenkung ist wiederum ein Maß für die auf das freie Ende der Monomodefaser wirkende Beschleunigung, die in der Folge daher aus der erfaßten Phasenänderung berechnet werden kann.

Vorzugsweise wird die Gesamtphase des Meßsignals durch Addition der erfaßten Pha senänderung mit einer Anfangsphase ermittelt. Die Anfangsphase berücksichtigt dabei die Geometrie des Sensors und beispielsweise die statisch auftretende Auslenkung des freien Endes der Monomodefaser aufgrund der Erdbeschleunigung bei horizontalem Ein bau des Sensors. Vorzugsweise wird die Gesamtphase des Meßsignals durch Addition der erfaßten Phasenänderung mit einer Anfangsphase ermittelt.

Beispielsweise kann zur Analyse von Schwingungsspektren die an einer Photodiode re gistrierte Intensitätsschwankung entsprechend dem im Sensor erzeugten Interferenz signal nach einer Analog/Digital-Wandelung mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) in den Frequenzbereich überführt und dann ausgewertet werden.

Die Meßanordnung wird vorzugsweise so ausgebildet, daß das Ende der Monomodefaser einen Sensorfaserabschnitt bildet, der mit einer definierten Länge frei über eine feste Einspannung hinaus ragt. Der frei über die feste Einspannung hinausragende Teil der Faser bildet dabei den eigentlichen Sensor, der aufgrund von Beschleunigung bzw. Vi brationen ausgelenkt bzw. in Schwingung versetzt wird.

Dadurch, daß der Sensorfaserabschnitt zusammen mit dem Reflektor in einem Sensor gehäuse angeordnet ist, wird ein kompakter und robuster Sensor geschaffen, in dem der frei aufgehängte Sensorfaserabschnitt und der Reflektor in definierter Anordnung zuein ander untergebracht sind. Das "Gehäuse" kann in Form ineinandergeschachtelter Kapil larfasern ebenso wie die Sensorfasern aus Quarzglas gefertigt sein. Das Sensorgehäuse kann problemlos gehandhabt werden, ohne daß eine Nachjustage des Sensorfaserab schnitts bzw. des Reflektors nötig ist.

Dadurch, daß der Reflektor eine kurze Reflektorfaser ist, die in einer Einspannung so gehaltert ist, daß die Stirnfläche der Reflektorfaser der Stirnfläche der Sensorfaser dicht beabstandet gegenüberliegt, kann ein besonders kleinbauender und thermisch kompen sierter Sensor realisiert werden. Die als Reflektor fest eingespannte Reflektorfaser gleicht vorzugsweise dem Sensorfaserabschnitt, wodurch die thermomechanischen Eigenschaf ten des Sensors optimiert werden.

Um das phasenmodulierte Meßsignal des Sensors dem Photodetektor zuzuführen, ist vorzugsweise zwischen der Lichtquelle und der Monomodefaser ein Richtkoppler vorge sehen.

Wenn die Lichtquelle als Hochleistungs-Infrarotdiode, vorzugsweise als Superlumines zenzdiode, ausgebildet ist, wird eine besonders hohe Lichtleistung einer definierten Wel lenlänge in die Meßanordnung eingespeist. Derartige Leuchtdioden strahlen typischer weise Licht mit einer Wellenlänge von 830 nm, 1300 nm oder 1500 nm aus, wobei die Spektralbreite lediglich ca. 10 bis 60 nm beträgt. Eine Anordnung eines extrinsischen Fabry-P´rot-Interferometers mit zwei einander gegenüberliegenden Faserenden zu ei nem ganz anderen Zweck ist bekannt aus Kent A. Murphy et al., "Quadratur Phase Shift ed Extrinsic Fabry-P´rot Optic Fibre Sensors", OPTICS LETTERS, Volume 16 (1991), Seiten 273-275. Dort geht es allerdings nicht um Beschleunigungs- und Vibrationsmes sungen, sondern um einen Dehnungssensor. Die beiden Faserenden, die einander ge genüberliegen, sind wiederum als Zuleitung bzw. als Reflektor vorgesehen und jeweils auf der bezüglich ihres Dehnungsverhaltens zu vermessenden Probe fixiert und mittels einer Kapillaren mit den Endflächen parallel zueinander justiert. Die absolute Abstand sänderung der beiden Faserenden zueinander ist ein Maß für die Probendehnung. Da die beiden Faserenden in der Kapillare zueinander gleitfähig gelagert sind, ist der Abstand entsprechend umrechenbar.

Im Gegensatz hierzu ist bei der vorliegenden Erfindung eine Vibrationsmessung möglich, da erstmals die Transversalschwingung des Zuleitungsfaserendes genutzt wird. Die damit verbundene, kleine Abstandsänderung zwischen Faserende und Reflektor ist interfero metrisch nachweisbar. Im Unterschied zu den bekannten extrinsischen Fabry-P´rot- Interferometem sind dabei allerdings üblicherweise keine vielfachen Interferenzstreifen zu beobachten. Statt dessen sind die den Phasenänderungen der reflektierten Lichtwelle entsprechenden Intensitätsänderungen an einem Interferenzstreifen auszuwerten. Hierfür ist eine gute intrinsische Temperaturkompensation des Sensors von Nutzen, was insbe sondere durch die vorgeschlagene miniaturisierte Konstruktionsvariante gewährleistet ist.

Die Erfindung ermöglicht so auch die Verwendung einer Lichtquelle mit kleiner Kohärenz länge angepaßt an die Interferometerabmessungen. Dies verhindert die bei interferome trischen Sensoren mit Laserdioden-Lichtquellen sonst nur mit erheblichem Aufwand zu minimierenden Störinterferenzen aufgrund von unzureichend unterdrückten Reflexen an Glas-Luft-Grenzflächen im optischen System.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung detailliert beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßanordnung und

Fig. 2 schematisch den Aufbau des Beschleunigungs- bzw. Vibrationssensors.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen faseroptischen Be schleunigungs- bzw. Vibrationssensors. Die Meßanordnung weist als Lichtquelle eine Leuchtdiode 2 auf. Vorzugsweise ist diese Lichtquelle als Superlumineszenzdiode (SLD) ausgebildet, die im Infrarotbereich mit Wellenlängen von typischerweise 830 nm, 1300 nm oder 1500 nm strahlt. Die Leuchtdiode 2 hat einen Glasfaseransatz, an den in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Spleiß, ein erster Eingangsarm 25 eines faser optischen Richtkopplers 4 angeschlossen ist. An einem der beiden Ausgänge 6, 8 des faseroptischen Richtkopplers 4 ist über eine Monomodesteckerverbindung 10 eine Mo nomodefaser 12 angeschlossen. Die verkabelte Monomodefaser 12 leitet das Licht zum eigentlichen Sensor der Meßanordnung. Die Monomodefaser 12 kann eine erhebliche Länge, beispielsweise einige Kilometer aufweisen, so daß die elektrischen Bauteile weit entfernt vom eigentlichen Meßort angeordnet sein können. Am der Lichtquelle 2 abge wandten Ende der Monomodefaser 12 ist über einen Monomodestecker 14 ein Sensor gehäuse 18 angeschlossen. Das Sensorgehäuse 18 weist zum Anschluß des Monomo desteckers 14 der Monomodefaser 12 einen entsprechenden Adapter 16 auf.

Das Sensorgehäuse 18 ist vorzugsweise zylinderisch ausgebildet, wobei ein Sensorfa serabschnitt 22 entlang der Mittelachse des zylinderischen Gehäuses 18 angeordnet ist. Der Sensorfaserabschnitt 22 ist am Adapter 16 mit der Monomodefaser 12 über Stecker 14 verbunden. Der Sensorfaserabschnitt 22 ist im Gehäuse 18 durch eine Einspannung 20 fest verankert. An der dem Monomodefaseranschluß gegenüberliegenden Seite des Sensorfaserabschnitts 22 ist eine orthogonal zur Faserachse geschnittene Stirnfläche vorgesehen. Dieses Ende des Sensorfaserabschnitts 22 ragt mit einer definierten Länge 1 frei über die feste Einspannung 20 hinaus. Dieser Faserabschnitt sowie bedarfsweise der in der Einspannung 20 gehalterte Faserabschnitt kann abisoliert sein.

Der frei aufgehängte Sensorfaserabschnitt 22 ist mit seiner Stirnfläche zu einem Spiegel 24 dicht beabstandet angeordnet. Die orthogonal zur Faserachse geschnittene Stirnflä che des Sensorfaserabschnitts 22 ist dabei parallel zur Spiegelfläche ausgerichtet. Der zwischen diesen beiden Grenzflächen gebildete Luftspalt (der gegebenenfalls evakuiert oder mit einem anderen Gas gefüllt sein kann) erzeugt bei der Reflexion des von der Leuchtdiode 2 ausgesandten und mittels der Monomodefaser 12 zugeführten Lichtbün dels ein Interferenzsignal.

Der frei aufgehängte Sensorfaserabschnitt 22 bildet dabei das beschleunigungs- bzw. vibrationsempfindliche Sensorelement. Beschleunigungen bzw. Vibrationen werden an den über die Einspannung 20 hinausragenden Abschnitt der Sensorfaser 22 durch Aus lenkungen detektiert, wobei sich die Größe des Luftspaltes, d. h. des Abstandes der Stirnfläche des Sensorfaserabschnitts 22 zum Spiegel 24 ändert.

Das aufgrund, der Auslenkungen hervorgerufene Interferenzsignal wird über die Mono modefaser 12 dem Richtkoppler 4 zugeführt. Am Richtkoppler 4 ist an seinem zweiten Eingangsarm 26 ein Photodetektor in Form einer Photodiode 28 angeschlossen. Dort wird das am Sensor erzeugte Interferenzsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Am elektrischen Ausgang der Photodiode 28 ist ein Vorverstärker 30 angeschlossen. Der Ausgang des Vorverstärkers 30 ist mit einer Auswerteelektronik 32 verbunden. Vorzugs weise weist die Auswerteelektronik 32 einen Analog/Digital-Wandler auf, der das analo ge elektrische Meßsignal digitalisiert. Nachfolgend kann dann z. B. mit einem Spektrum analysator 34, beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation das mit dem Sensor aufgenommene Vibrationsfrequenzspektrum analysiert werden.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Beschleunigungs- bzw. Vibra tionssensors nach einer zweiten Ausführungsform. Das Gehäuse 18 besteht aus einer zylinderischen äußeren Kapillarfaser, in die von der einen Stirnseite die Sensorfaser 22 hinein ragt. Die Sensorfaser 22 ist mit der Einspannung 20 im Gehäuse 18 festgelegt. Die Einspannung 20 besteht dabei aus einer inneren Kapillarfaser 20, die in die äußere Kapil larfaser 18 des Gehäuses fest eingesetzt ist. In die Bohrung der inneren Kapillarfaser 20 ist die Sensorfaser 22 fest eingesetzt. Das Ende der Sensorfaser 22 weist eine orthogo nal zur Faserachse geschnittene Stirnfläche auf, die um eine definierte Länge l frei über die feste Einspannung 20 in der inneren Kapillarfaser 20 hinaus ragt. Auf der anderen Seite des als äußere Kapillarfaser ausgebildeten Gehäuses 18 ist ein kurzer Glasfaser abschnitt als Reflektorfaser 24 in einer als innere Kapillarfaser ausgebildeten Einspan nung 23 fixiert. Das der Stirnfläche der Sensorfaser 22 gegenüberliegende Ende der Re flektorfaser 24 ist ebenfalls als orthogonal geschnittene Stirnfläche ausgebildet. Zwischen den beiden gegenüber stehenden Stirnflächen der aus dem gleichen Monomodefaserma terial geschnittenen Sensorfaser 22 und Reflektorfaser 24 ist ein Luftspalt L ausgebildet, der einige bis einige 10 µm mißt. Die beiden gegenüberstehenden Stirnflächen können zur Erhöhung der Interferenzsignalamplitude mit dielektrischen Viertelwellenlängen schichten verspiegelt sein. Das Reflektorelement kann zur Vereinfachung des Aufbaus auch als Glasstäbchen mit einem dem Innendurchmesser der äußeren Kapillare entspre chenden Außendurchmesser ausgeführt werden, so daß die innere Kapillare 23 der Re flektorfaser 24 entfällt. Das zweite Ausführungsbeispiel trägt zu einer weiteren Miniaturi sierung des Sensors bei, da auch der Reflektor als Faserabschnitt mit entsprechend ge ringem Durchmesser ausgebildet ist. Die beiden gegenüberliegenden Faserabschnitte sind aufgrund der als Präzisionskapillarfasern ausgebildeten Einspannungen 20, 23 prä zise zueinander ausgerichtet. Die Abmessungen eines derartigen Sensors betragen da her nur wenige Millimeter im Durchmesser und einige Zentimeter in der Länge.

Nachfolgend wird der Meßvorgang und die Meßauswertung beschrieben.

Von der Lichtquelle 2 des Sensorsystems wird ein Lichtbündel hinreichender Kohärenz länge und Lichtleistung über den faseroptischen Richtkoppler 4 in die verkabelte Mono modefaser 12 zum eigentlichen Sensorelement gesendet. Das vom Sensorelement in die Monomodezuleitungsfaser 12 zurückgekoppelte, durch die Meßgröße phasen- und in tensitätsmodulierte Licht wird in den 3-dB-Richtkoppler 4 zu 50% auf den zweiten Ein gangsarm 26 des Kopplers 4 verzweigt. Am zweiten Eingangsarm 26 des Kopplers 4 nimmt die Photodiode 28 das Interferenzsignal auf und wandelt es in ein elektrisches Signal. Das analoge elektrische Signal der Photodiode 28 wird dann zur weiteren Meß analyse in ein digitales Signal gewandelt. Anschließend können die digitalen Daten bei spielsweise mittels Fast-Fourier-Transformation im Hinblick auf die Vibrationsfrequen zen analysiert werden.

Das eigentliche Sensorelement ist ein faseroptisches Mikrointerferometer in dem ein Be schleunigungs- und Vibrationssensor so ausgelegt ist, daß Translationsbewegungen bzw. Biegeschwingungen des als frei schwingenden Sensor ausgebildeten Glasfaserab schnitts möglich sind. Das Feder-Masse-System ist ein eingespanntes, je nach ge wünschter Dämpfung abisoliertes, Glasfaserende von typischerweise einem bis einigen Zentimetern Länge. Das System reagiert entsprechend einem einseitig eingespannten Biegebalken. Der vorzugsweise abisolierte Glasfaserabschnitt stellt das Ende des Sen sorfaserabschnitts 22 dar, das mit der Einspannung 20 zugentlastend am temperatur stabilen Gehäuse 18 fixiert ist. Das andere Ende des Sensorfaserabschnitts 22 ist mit dem als Monomodefaser ausgebildeten Zuleitungskabel 12 verbunden. Dem Faserende gegenüberliegend in einem festen Abstand L ist der im Gehäuse justierbar oder festein gesetzte Reflektor 24 angeordnet. Der Spalt zwischen der Stirnfläche des freischwingen den Phaserabschnitts 22 und des Reflektors 24 stellt ein Mikro-Fabry-P´rot-Inter ferometer dar. Bei einer Abstandsänderung zwischen Faserstirnfläche und Reflektor wird die Airy-Funktion als das für Fabry-P´rot-Interferometer typische Interferenzsignal re gistriert.

Die als Lichtquelle dienende Superlumineszenzdiode (SLD) 2 besitzt bei hoher Aus gangsintensität eine wesentlich geringere Kohärenzlänge als eine Laserdiode. Eine quali tativ hochwertige SLD zeichnet sich durch ein Gauß-förmiges Spektrum aus, beispiels weise mit einer Zentralwellenlänge von 830 nm, und einer Spektralbreite von typischer weise 15 bis 60 nm, was einer Kohärenzlänge von 50 bis 15 µm entspricht. Dies gewähr leistet bei der Fabry-P´rot-Resonatorlänge von L = einige bis einige 10 µm einerseits einen guten Interferenzkontrast, verhindert andererseits gleichzeitig die bei interferome trischen Sensoren sonst nur mit erheblichem Aufwand zu minimierenden Störinter ferenzen aufgrund von unzureichend unterdrückten Reflexen an den Glas/Luft- Grenzflä chen im optischen System.

Das für die Sensorfunktion entscheidende Ausgangssignal entsteht in dem Sensorele ment durch die Abstandsänderung zwischen dem Mittelpunkt der ebenen Stirnfläche des Sensorfaserabschnitts 22 und dem gegenüberliegenden Reflektor 24 aufgrund einer durch eine Querbeschleunigung, wie sie in Fig. 2 mit Pfeil g angedeutet ist, erzeugten Auslenkung des freien Sensorfaserabschnitts 22. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Sensorelements um die Faserlängsachse (x-Achse) mißt der Sensor den Betrag der Beschleunigungskomponenten in der dazu senkrechten Ebene (y-z-Richtung). Zeigt die Faserlängsachse (x-Achse) des Sensors anfangs in vertikale Richtung, d. h. parallel zum Vektor der Erdbeschleunigung, und wird der Sensor anschließend in die horizontale Position gebracht, dann verbiegt sich der einseitig eingespannte Faserab schnitt durch die infolge der Erdbeschleunigung g erzeugte Flächenlast q (Kraft pro Fa serlänge)

q = F_g/l = ρπR²g, (1)

wobei
F_g = (Gewichts-)kraft,
l = Länge des frei schwingenden Faserabschnitts,
ρ = Dichte des Fasermaterials (Quarzglas)
R = Faserradius.

Die elementare Elastizitätstheorie ergibt daraus für die Auslenkung des Faserendes aus der Ruhelage

wobei
J = π R⁴/4 das Flächenträgheitsmoment des Glasfaserquerschnitts,
l = die Länge des freien Faserendes und
E = der Elastizitätsmodul von Quarzglas ist.

Für den Winkel Θ der Tangente des abgelenkten Faserendes mit der Sensorachse pro Einheit der Erdbeschleunigung gilt:

Θ_g = Θ/g = 4 w_g/(3 l)/g (3).

Die durch die eigengewichtsbedingte Faserbiegung bewirkte optische Wegänderung für das Lichtbündel zwischen Faserende und Spiegel berechnet sich für kleine Auslenkun gen dann pro Einheit der Erdbeschleunigung näherungsweise nach:

ΔL_g ≈ w_g Θ = 3/4 l Θ_g² (4).

Da w und Θ sich mit der vierten bzw. dritten Potenz der Länge des freien Faserendes ändern, wird der Meßeffekt (ΔL) durch geringfügige Änderungen der Länge l des freien Faserendes drastisch beeinflußt. Bei Vibrationen mit u. U. erheblich größeren Querbe schleunigungen als 1 g ergeben sich entsprechend größere Abstandsänderungen.

Die bei der Meßanordnung auftretenden Intensitätsänderungen am zur Photodiode 28 gelenkten Lichtbündel infolge der mit der Sensorfaserverbiegung einhergehenden Fabry- Peot-Dejustierung beeinflussen das für die Funktion als hochempfindlicher Beschleuni gungs- und Vibrationssensor entscheidende Interferenzausgangssignal nur geringfügig. Damit können die durch kleine Auslenkungen w bzw. Θ hervorgerufenen Abstandsände rungen ΔL direkt aus der Phasenänderung ΔΦ nach der folgenden Formel berechnet werden:

ΔΦ = 2 π 2ΔL/λ ≈ 3 Θ²l/λ (5).

Für die gesamte Phase Φ = Φ₀ + ΔΦ ist die Anfangsphase Φ₀ = 4 π L_FP/λ aufgrund des Anfangsabstandes L zwischen Faserstirnfläche und Reflektor noch zu berücksichtigen. Mit der Einstellung des Anfangsabstandes L und der Anfangsauslenkungen w ist der Ar beitspunkt des Mikrointerferometers in einem weiten Bereich einstellbar, so daß für den Sensor die gewünschte Empfindlichkeit einstellbar ist. Falls die Auslenkungen des freien Sensorfaserabschnitts 22 bei größeren Querbeschleunigungen so groß werden, daß das Ausgangssignal in den nicht linearen Bereich der cos²ΔΦ-Interferometercharakteristik kommt, kann der Sensorfaserabschnitt zur Reduzierung der Schwingungsamplituden verkürzt werden. Andererseits können durch Verlängerung des Sensorfaserabschnitts die den Schwingungsamplituden entsprechenden optischen Wegänderungen so groß ein gestellt werden, daß eine größere Zahl von Interferenzstreifen im Ausgangssignal über strichen werden.

Insgesamt wird damit ein miniaturisierter optisch arbeitender Beschleunigungs- und Vi brationssensor angegeben, der problemlos in Bauwerkstrukturen und Maschinen inte grierbar ist. Aufgrund des über lange Glasfaserstrecken von den elektrischen Bauteilen trennbaren Sensorelementes können Beeinflussungen des Meßergebnisses aufgrund von Störungen am Meßort, wie etwa elektromagnetische Störungen vermieden werden.

Bezugszeichenliste

2 Lichtquelle, Leuchtdiode
4 Richtkoppler
6 Ausgang
8 Ausgang
10 Monomodestecker
12 Monomodefaser
14 Monomodestecker
16 Adapter
18 Gehäuse
20 Einspannung
22 Sensorfaserabschnitt
23 Einspannung
24 Reflektor
25 erster Eingangsarm
26 zweiter Eingangsarm
28 Photodetektor, Photodiode
30 Vorverstärker
32 Auswerteelektronik

Claims

1. Verfahren zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung mit einem faseroptischen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderung (Δϕ) eines an einem Ende einer Monomodefaser austreten den und an einem Spiegel wieder in die Faser zurückreflektierten Lichtbündels erfaßt wird, während das Ende der Monomodefaser frei aufgehängt schwingen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Meßsignale über eine lange Monomodefaserstrecke übertragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der erfaßten Phasenänderung (ΔΦ, in Radian) die Auslenkung (w) des freien Endes der Monomodefaser nach der folgenden Formel für kleine Auslenkungen ermit telt wird: wobei
l die Länge des frei schwingenden Faserabschnitts und
λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Auslenkung (w) nach der folgenden Formel die Beschleunigung (a) ermit telt wird wobei
E der Elastizitätsmodul der Monomodefaser,
R der Faserradius und
ρ die Dichte des Fasermaterials ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtphase (Φ) des Meßsignals durch Addition der erfaßten Phasenänderung (ΔΦ) mit einer Anfangsphase (Φ₀) gemäß nachfolgen der Formel ermittelt wird: Φ = Φ₀ + ΔΦ = 4π L_FP/λ + ΔΦwobei
L_FP der Anfangsabstand zwischen Faserendfläche und Spiegel und
λ die Wellenlänge des Lichts ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationssignal einer Spektrumanalyse zur Klassifizierung des Vibrationsfre quenzspektrums unterzogen wird.

7. Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung mit einer Lichtquelle (2), einer Lichtleitfaser, einem Reflektor (24) und einem Photodetektor (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser eine Monomodefaser (12) ist und am Ende der Faser (12) der Reflektor (24) dicht beabstandet angeordnet ist, um eine Phasenänderung (ΔΦ) im Meßsignal bei Auslenkung des Faserendes hervorzurufen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Monomodefaser (12) einen Sensorfaserabschnitt (22) bildet, der mit einer definierten Länge (l) frei über eine feste Einspannung (20) hinaus ragt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorfaserabschnitt (22) zusammen mit dem Reflektor (24) in einem Sen sorgehäuse (18) angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor eine kurze Reflektorfaser (24) ist, die in einer Einspannung (23) so gehaltert ist, daß die Stirnfläche der Reflektorfaser (24) der Stirnfläche der Sensorfa ser (22) dicht beabstandet gegenüberliegt.

11. Anordnung nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle (2) und Monomodefaser (12) ein Richtkoppler (4) vorgese hen ist, um das phasenmodulierte Meßsignal dem Photodetektor (28) zuzuführen.

12. Anordnung nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle als Hochleistungs-Infrarotdiode (2), vorzugsweise als Superlumi neszenzdiode, ausgebildet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mittelbar oder unmittelbar am elektrischen Ausgang des als Photodiode ausgebil deten Photodetektors (28) ein Spektrumanalysator (34), vorzugsweise mit zwischen geschaltetem Vorverstärker (30), angeschlossen ist.