DE19514852C2

DE19514852C2 - Verfahren und Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung

Info

Publication number: DE19514852C2
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: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: DE19514852A1; US6008898A; JPH0933332A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigungs- und Vibrations messung mit einem faseroptischen Sensor auf der Grundlage eines Fabry- Perot-Interferometers, bei dem Licht durch eine Monomodefaser geführt wird und an einem Ende austritt, von einem Spiegel reflektiert und wieder in die Faser zurückreflektiert wird, und die Phasenänderung des an dem einen Ende der Monomodefaser austretenden und an dem Spiegel wieder in die Faser zurückreflektierten Lichts erfaßt wird, und eine Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung mit einem Fabry-Perot-Interferometer, einer Lichtquelle, einer Monomodefaser, einem Reflektor und einem Photodetektor.

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

Bei einer Ausführung wird eine Abstandsänderung zwischen einer Sende- und einer Empfangsfaser und einer reflektierenden Oberfläche über die entspre chende Intensitätsänderung gemessen. Dabei werden als Lichtleitfaser Multi modefasern verwendet. Diese Sensoren sind zwar aufgrund der verwendeten Multimode-Fasertechnologie relativ einfach zu realisieren, jedoch sind sie wegen ihres offenen Bauprinzips nur in relativ geschützter Umgebung mit kurzen Glasfaserübertragungsstrecken verwendbar. Lange Übertragungsstrecken kön nen wegen der starken Dämpfung in der Multimodefaser nicht realisiert werden. Derartige Sensoren werden beispielsweise von der Firma TETRA Gesellschaft für Sensorik, Robotik und Automation mbH, Ilmenau, DE, vertrieben.

Aus der EP 0 456 681 B1 ist ein faseroptischer Beschleunigungssensor auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers bekannt, bei dem eine durch die Be schleunigung deformierbare Membran vorgesehen ist. Im Zentrum der Membran ist ein halbsphärischer Spiegel befestigt, dem das Ende einer Lichtleitfaser ge genüber liegt. Bei Deformation der Membran wird die Abstandsänderung zwi schen Faserende und Spiegel interferometrisch nach dem Fabry-Perot-Prinzip gemessen und daraus die Beschleunigung berechnet. Nachteilig ist, daß eine derartige Membran empfindlich und deren Einspannung und Halterung auf wendig ist.

Aus der DE 39 39 573 A1 ist eine Einrichtung bekannt, in der eine eingespannte Faser in eine strömende Umgebung eingetaucht ist. Diese strömende Umge bung biegt das Ende der lichtleitenden Faser aus ihrer Ruhestellung und verän dert so den Abstand von einem Positionsdetektor, der auf die Lichtintensität anspricht. Ähnlich arbeitet eine aus der US-PS 3 602 037 bekannte Vorrichtung, bei der ein lichtleitender Stab durch Einfluß von Kräften gebogen wird und sich dadurch das Ausmaß der an seinem Ende austretenden und von einem Fotode tektor aufgenommenen Lichtstrahlen reduziert. Für hochpräzise Vibrations- und Beschleunigungsmessungen sind derartige Konstruktionen jedoch nicht geeig net, zumal es sich auch um im Verhältnis recht große Apparaturen handelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein faseroptisches Meßverfahren bzw. eine Meß anordnung zu schaffen, bei dem bzw. mit der mit einem einfach aufgebauten und robusten, gleichwohl aber kleinen Sensor Beschleunigungen und Vibra tionen störunempfindlich auch über lange Glasfaserübertragungsstrecken detektiert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch, daß das Ende der Monomodefaser frei aufgehängt transversal schwingen kann und daß das Licht an einer ebenen Oberfläche des Spiegels reflektiert wird.

Bei einer gattungsgemäßen Meßanordnung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dicht beabstandet gegenüber dem Ende der Faser der Reflektor in Form eines ebenen Spiegels angeordnet ist und daß das Ende der Monomodefaser einen Sensorfaserabschnitt bildet, der mit einer definierten Länge frei über eine feste Einspannung hinausragt und transversal schwingen kann.

Mit der Erfassung der Phasenänderung eines in eine Monomodefaser rückre flektierten Lichtbündels wird ein faseroptisches Interferometer realisiert, das aufgrund seines optischen Meßprinzips über lange Glasfaserstrecken auslesbar ist. Folglich können die elektrischen Bauteile der Meßanordnung weit entfernt vom Meßort angeordnet sein. Störungen am Meßort, wie etwa hohe Tempera turen, aggressive Umgebungsmedien, oder elektromagnetische Störungen kön nen die elektrischen Bauteile nicht beeinflussen. Das Meßverfahren ist aufgrund der Möglichkeit der direkten Messung der Phasenänderung prinzipiell weitge hend unabhängig und unbeeinflußt von Intensitätsschwankungen. Der Aufbau des Sensors kann in Form eines Mikrointerferometers als faseroptisches, extrinsisches Fabry-Perot-Interferometer in miniaturisierter Form realisiert wer den. 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 verschiede nen Meßorten einsetzbar, ohne daß die elektrischen Komponenten bewegt wer den müssen.

Aus der leicht zu erfassenden Phasenänderung im Meßsignal, z. B. über die Intensitätsänderung des Interferenzsignals, kann die Auslenkung des freien En des 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 erfaß ten Phasenänderung mit einer Anfangsphase ermittelt. Die Anfangsphase be rücksichtigt dabei die Geometrie des Sensors und beispielsweise die statisch auftretende Auslenkung des freien Endes der Monomodefaser aufgrund der Erdbeschleunigung bei horizontalem Einbau des Sensors.

Durch diese Auslenkung des freien Endes der Monomodefaser in der Anfangs phase bzw. Mittelstellung steht die Achse der Monomodefaser nicht exakt senk recht auf der Fläche des ebenen Spiegels, sondern geringfügig demgegenüber gekippt oder schräggestellt. Dadurch wiederum wird bei einer Schwingung die ser Faser die Abstandsänderung von Faserende zu Spiegel in erster Näherung linear von der Auslenkung abhängen. Die Faser schwingt also nicht um eine Nullpunktslage herum, wie dies bei einer exakt senkrechten Ausrichtung auf die Fläche wäre.

Dieser vorteilhafterweise ohne baulichen oder sonstigen technischen Aufwand erzielbare Vorteil entsteht wie erwähnt schon allein durch horizontalen Aufbau aufgrund der Erdbeschleunigung. Der Effekt ist zwar klein, fördert aber zusätz lich die Miniaturisierung des gesamten Aufbaus.

Beispielsweise kann zur Analyse von Schwingungsspektren die an einer Photo diode registrierte Intensitätsschwankung entsprechend dem im Sensor erzeug ten Interferenzsignal nach einer Analog/Digital-Wandelung mittels einer Fast- Fourier-Transformation (FFT) in den Frequenzbereich überführt und dann aus gewertet werden.

Die Meßanordnung wird vorzugsweise so ausgebildet, daß das Ende der Mo nomodefaser einen Sensorfaserabschnitt bildet, der mit einer definierten Länge frei über eine feste Einspannung hinaus ragt. Der frei über die feste Einspan nung hinausragende Teil der Faser bildet dabei den eigentlichen Sensor, der aufgrund von Beschleunigungen bzw. Vibrationen ausgelenkt bzw. in Schwin gungen versetzt wird.

Dem Ende des Sensorfaserabschnitts, der durch einen glattflächigen, ebenen Schnitt gebildet wird, steht der in Form eines ebenen Spiegels ausgebildete Reflektor gegenüber. Die gesamte Anordnung stellt also ein Interferometer dar.

Die erwähnten transversalen Schwingungen sind etwas, was beispielsweise der Stand der Technik nach der EP 0 456 681 B1 nicht berücksichtigen konnte:

Bei den für Fabry-Perot-Interferometer bisher zwangsweise benutzten sphäri schen Spiegeln würde eine transversale Schwingung eines eingespannten Faserendes, wenn überhaupt, dann nur eine stark nichtlineare Signalwirkung entfalten können. Die Verwendung von zwei ebenen Spiegeln in diesem Zu sammenhang ist völlig neu und unerwartet und war bisher nicht üblich, da zwei ebene Spiegel einen instabilen Fabry-Perot-Resonator ergeben. Gerade die geringfügigen Abstandsänderungen, die zwischen dem Ende der Faser und der ebenen Spiegelfläche beim Schwingen entstehen, ermöglichen aber die hoch präzise Messung.

Die Kennlinie für diese Messung ist im wesentlichen linear, im Hinblick auf nur kleine Auslenkungen der Faser kann durch geeignete Justierung erreicht wer den, daß immer eine Flanke des Interferenzsignals genutzt wird, was zu einer besonders präzisen Auflösung führt.

Besonders bevorzugt ist es auch, wenn der Abstand von Faserende zu Spiegel im Bereich zwischen einigen und einigen 10 µm liegt.

Dadurch, daß der Sensorfaserabschnitt zusammen mit dem Reflektor in einem Sensorgehäuse angeordnet ist, wird ein kompakter und robuster Sensor ge schaffen, in dem der frei aufgehängte Sensorfaserabschnitt und der Reflektor in definierter Anordnung zueinander untergebracht sind. Das "Gehäuse" kann in Form ineinandergeschachtelter Kapillarfasern ebenso wie die Sensorfasern aus Quarzglas gefertigt sein. Das Sensorgehäuse kann problemlos gehandhabt werden, ohne daß eine Nachjustage des Sensorfaserabschnitts bzw. des Re flektors nötig ist.

Dadurch, daß der Reflektor eine kurze Reflektorfaser ist, die in einer Einspan nung so gehaltert ist, daß die Stirnfläche der Reflektorfaser der Stirnfläche der Sensorfaser dicht beabstandet gegenüberliegt, kann ein besonders kleinbauen der und thermisch kompensierter Sensor realisiert werden. Die als Reflektor fest eingespannte Reflektorfaser gleicht vorzugsweise dem Sensorfaserabschnitt, wodurch die thermomechanischen Eigenschaften des Sensors optimiert werden.

Um das phasenmodulierte Meßsignal des Sensors dem Photodetektor zuzufüh ren, ist vorzugsweise zwischen der Lichtquelle und der Monomodefaser ein Richtkoppler vorgesehen.

Wenn die Lichtquelle als Hochleistungs-Infrarotdiode, vorzugsweise als Super lumineszenzdiode, ausgebildet ist, wird eine besonders hohe Lichtleistung einer definierten Wellenlänge in die Meßanordnung eingespeist. Derartige Leuchtdi oden strahlen typischerweise 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-Perot-Interferometers mit zwei ein ander gegenüberliegenden Faserenden zu einem ganz anderen Zweck ist be kannt aus Kent A. Murphy et al., "Quadrature Phase-Shifted Extrinsic Fabry-Perot Optic Fibre Sensors", OPTICS LETTERS, Volume 16 (1991), Seiten 273-275. Dort geht es allerdings nicht um Beschleunigungs- und Vibrationsmessungen, sondern um einen Dehnungssensor. Die beiden Faserenden, die einander gegenüberliegen, sind wiederum als Zuleitung bzw. als Reflektor vorgesehen und jeweils auf der bezüglich ihres Dehnungsverhaltens zu vermessenden Probe fixiert und mittels einer Kapillare mit den Endflächen parallel zueinander justiert. Die absolute Abstandsänderung der beiden Faserenden zueinander ist ein Maß für die Probendehnung. Da die beiden Faserenden in der Kapillare zu einander 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 ge nutzt wird. Die damit verbundene, kleine Abstandsänderung zwischen Faser ende und Reflektor ist interferometrisch nachweisbar. Im Unterschied zu den bekannten extrinsischen Fabry-Perot-Interferometern sind dabei allerdings üb licherweise 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 gewähr leistet ist.

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

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Aufbau des Sensors als Fabry- Perot-Interferometer erfolgt.

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 Beschleunigungs- bzw. Vibrationssensors. Die Meßanordnung weist als Licht quelle eine Leuchtdiode 2 auf. Vorzugsweise ist diese Lichtquelle als Super lumineszenzdiode (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 faseroptischen Richtkopplers 4 ange schlossen ist. An einem der beiden Ausgänge 6, 8 des faseroptischen Richt kopplers 4 ist über eine Monomodesteckerverbindung 10 eine Monomodefaser 12 angeschlossen. Die verkabelte Monomodefaser 12 leitet das Licht zum ei gentlichen Sensor der Meßanordnung. Die Monomodefaser 12 kann eine erheb liche Länge, beispielsweise einige Kilometer aufweisen, so daß die elektrischen Bauteile weit entfernt vom eigentlichen Meßort angeordnet sein können. Am der Lichtquelle 2 abgewandten Ende der Monomodefaser 12 ist über einen Mono modestecker 14 ein Sensorgehäuse 18 angeschlossen. Das Sensorgehäuse 18 weist zum Anschluß des Monomodesteckers 14 der Monomodefaser 12 einen entsprechenden Adapter 16 auf.

Das Sensorgehäuse 18 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, wobei ein Sensorfaserabschnitt 22 entlang der Mittelachse des zylindrischen Gehäuses 18 angeordnet ist. Der Sensorfaserabschnitt 22 ist am Adapter 16 mit der Mo nomodefaser 12 über Stecker 14 verbunden. Der Sensorfaserabschnitt 22 ist im Gehäuse 18 durch eine Einspannung 20 fest verankert. An der dem Mono modefaseranschluß gegenüberliegenden Seite des Sensorfaserabschnitts 22 ist eine orthogonal zur Faserachse geschnittene Stirnfläche vorgesehen. Dieses Ende des Sensorfaserabschnitts 22 ragt mit einer definierten Länge l 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 oder leicht schräg zur Faserachse geschnittene Stirnfläche des Sensorfaserabschnitts 22 ist dabei nahezu 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 Leucht diode 2 ausgesandten und mittels der Monomodefaser 12 zugeführten Lichtbün dels ein Interferenzsignal.

Der frei aufgehängte Sensorfaserabschnitt 22 bildet dabei das beschleuni gungs- bzw. vibrationsempfindliche Sensorelement. Beschleunigungen bzw. Vibrationen werden an den über die Einspannung 20 hinausragenden Abschnitt der Sensorfaser 22 durch Auslenkungen 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 Monomodefaser 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 elek trisches Signal umgewandelt.

Am elektrischen Ausgang der Photodiode 28 ist ein Vorverstärker 30 ange schlossen. Der Ausgang des Vorverstärkers 30 ist mit einer Auswerteelektronik 32 verbunden. Vorzugsweise weist die Auswerteelektronik 32 einen Ana log/Digital-Wandler auf, der das analoge elektrische Meßsignal digitalisiert.

Nachfolgend kann dann z. B. mit einem Spektrumsanalysator 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. Vibrationssensors nach einer zweiten Ausführungsform. Das Gehäuse 18 besteht aus einer zylindrischen äußeren Kapillarfaser, in die von der einen Stirnseite die Sensorfaser 22 hineinragt. Die Sensorfaser 22 ist mit der Ein spannung 20 im Gehäuse 18 festgelegt. Die Einspannung 20 besteht dabei aus einer inneren Kapillarfaser 20, die in die äußere Kapillarfaser 18 des Gehäuses fest eingesetzt ist. In die Bohrung der inneren Kapillarfaser 20 ist die Sensor faser 22 fest eingesetzt. Das Ende der Sensorfaser 22 weist eine orthogonal zur Faserachse geschnittene Stirnfläche auf, die um eine definierte Länge l frei über die feste Einspannung 20 in der inneren Kapillarfaser 20 hinausragt. Auf der anderen Seite des als äußere Kapillarfaser ausgebildeten Gehäuses 18 ist ein kurzer Glasfaserabschnitt als Reflektorfaser 24 in einer als innere Kapillarfaser ausgebildeten Einspannung 23 fixiert. Das der Stirnfläche der Sensorfaser 22 gegenüberliegende Ende der Reflektorfaser 24 ist ebenfalls als orthogonal oder leicht schräg geschnittene Stirnfläche ausgebildet. Zwischen den beiden gegenüberstehenden Stirnflächen der aus dem gleichen Monomo defasermaterial geschnittenen Sensorfaser 22 und Reflektorfaser 24 ist ein Luftspalt L ausgebildet, der einige bis einige 10 µm mißt. Die beiden gegen überstehenden Stirnflächen können zur Erhöhung der Interferenzsignalampli tude mit dielektrischen Viertelwellenlängenschichten verspiegelt sein. Das Reflektorelement kann zur Vereinfachung des Aufbaus auch als Glasstäbchen mit einem dem Innendurchmesser der äußeren Kapillare entsprechenden Außendurchmesser ausgeführt werden, so daß die innere Kapillare 23 der Reflektorfaser 24 entfällt. Das zweite Ausführungsbeispiel trägt zu einer weite ren Miniaturisierung des Sensors bei, da auch der Reflektor als Faserabschnitt mit entsprechend geringem Durchmesser ausgebildet ist. Die beiden gegen überliegenden Faserabschnitte sind aufgrund der als Präzisionskapillarfasern ausgebildeten Einspannungen 20, 23 präzise zueinander ausgerichtet. Die Abmessungen eines derartigen Sensors betragen daher 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 Kohärenzlänge und Lichtleistung über den faseroptischen Richtkoppler 4 in die verkabelte Monomodefaser 12 zum eigentlichen Sensorelement gesendet. Das vom Sensorelement in die Monomodezuleitungsfaser 12 zurückgekoppelte, durch die Meßgröße phasen- und intensitätsmodulierte Licht wird in den 3 dB-Richtkoppler 4 zu 50% auf den zweiten Eingangsarm 26 des Kopplers 4 verzweigt. Am zweiten Eingangsarm 26 des Kopplers 4 nimmt die Photo diode 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 beispielsweise mittels Fast-Fourier-Transformation im Hinblick auf die Vibrationsfrequenzen analysiert werden.

Das eigentliche Sensorelement ist ein faseroptisches Mikrointerferometer, in dem ein Beschleunigungs- und Vibrationssensor so ausgelegt ist, daß Trans versalbewegungen bzw. Biegeschwingungen des als frei schwingender Sensor ausgebildeten Glasfaserabschnitts möglich sind. Das Feder-Masse-System ist ein eingespanntes, je nach gewünschter 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 Sensorfaserabschnitts 22 dar, das mit der Einspannung 20 zugentlastend am temperaturstabilen 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 festeingesetzte Reflektor 24 angeordnet. Der Spalt zwischen der Stirnfläche des freischwingenden Faserabschnitts 22 und des Reflektors 24 stellt ein Mikro- Fabry-Perot-Interferometer dar. Bei einer Abstandsänderung zwischen Faserstirnfläche und Reflektor wird die Airy-Funktion als das für Fabry-Perot- Interferometer typische Interferenzsignal registriert.

Die als Lichtquelle dienende Superlumineszenzdiode (SLD) 2 besitzt bei hoher Ausgangsintensität eine wesentlich geringere Kohärenzlänge als eine Laser diode. Eine qualitativ hochwertige SLD zeichnet sich durch ein Gauß-förmiges Spektrum aus, beispielsweise mit einer Zentralwellenlänge von 830 nm, und einer Spektralbreite δλ von typischerweise 15 bis 60 nm, was einer Kohärenz länge von 50 bis 15 µm entspricht. Dies gewährleistet bei der Fabry-Perot-Re sonatorlänge von L= einige bis einige 10 µm einerseits einen guten Interferenz kontrast, verhindert andererseits gleichzeitig die bei interferometrischen Sen soren sonst nur mit erheblichem Aufwand zu minimierenden Störinterferenzen aufgrund von unzureichend unterdrückten Reflexen an den Glas/Luft-Grenz flächen im optischen System.

Das für die Sensorfunktion entscheidende Ausgangssignal entsteht in dem Sensorelement 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 Sensorfaserab schnitts 22. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Sensorelements um die Faserlängsachse (x-Achse) mißt der Sensor den Betrag der Beschleunigungs komponenten in der dazu senkrechten Ebene (y-z-Richtung). Zeigt die Faser längsachse (x-Achse) des Sensors anfangs in vertikale Richtung, das heißt parallel zum Vektor der Erdbeschleunigung, und wird der Sensor anschließend in die horizontale Position gebracht, dann verbiegt sich der einseitig ein gespannte Faserabschnitt durch die infolge der Erdbeschleunigung g erzeugte Flächenlast q (Kraft pro Faserlänge)

q = F_g/l = ρπ R² g (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 Faser endes 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 Sen sorachse pro Einheit der Erdbeschleunigung gilt:

Θ_g = ⁴w_g/(³l) (3)

entsprechend 0,0014 rad für l = 30 mm.

Die durch die eigengewichtsbedingte Faserbiegung bewirkte optische Wegän derung für das Lichtbündel zwischen Faserende und Spiegel berechnet sich für kleine Auslenkungen 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 Faser endes ändern, wird der Meßeffekt (ΔL) durch geringfügige Änderungen der Länge l des freien Faserendes drastisch beeinflußt. Bei Vibrationen mit u. U. erheblich größeren Querbeschleunigungen als 1g ergeben sich entsprechend größere Abstandsänderungen.

Die bei der Meßanordnung auftretenden Intensitätsverluste am zur Photodiode 28 gelenkten Lichtbündel infolge der mit der Sensorfaserverbiegung einher gehenden Fabry-Perot-Dejustierung beeinflussen das für die Funktion als hoch empfindlicher Beschleunigungs- und Vibrationssensor entscheidende Inter ferenzausgangssignal, insbesondere den Interferenzkontrast nur geringfügig.

Damit können die durch kleine Auslenkungen w bzw. Θ hervorgerufenen Ab standsänderungen ΔL direkt aus der Phasenänderung ΔΦ nach der folgenden Formel berechnet werden:

ΔΦ = 2π 2 ΔL / λ ≈ 3 Θ²l / λ (5).

Für die gesamte Phase Φ=Φ₀+ΔΦ ist die Anfangsphase Φ₀=4π L_FP / λ auf grund des Anfangsabstandes L zwischen Faserstirnfläche und Reflektor noch zu berücksichtigen. Mit der Einstellung des Anfangsabstandes L und der Anfangsauslenkungen w₀

ist der Arbeitspunkt 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 Quer beschleunigungen so groß werden, daß das Ausgangssignal in den nicht linea ren Bereich der sin²Φ-Interferometercharakteristik kommt, kann der Sensor faserabschnitt zur Reduzierung der Schwingungsamplituden verkürzt werden.

Andererseits können durch Verlängerung des Sensorfaserabschnitts die den Schwingungsamplituden entsprechenden optischen Wegänderungen so groß eingestellt werden, daß eine größere Zahl von Interferenzstreifen im Aus gangssignal überstrichen werden.

Insgesamt wird damit ein miniaturisierter optisch arbeitender Beschleunigungs- und Vibrationssensor angegeben, der problemlos in Bauwerkstrukturen und Maschinen integrierbar ist. Aufgrund des über lange Glasfaserstrecken von den elektrischen Bauteilen trennbaren Sensorelementes können Beeinflussungen des Meßergebnisses aufgrund von Störungen am Meßort, wie etwa elektro magnetische 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
34 Spektrumsanalysator

Claims

1. Verfahren zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung mit einem faser optischen Sensor auf der Grundlage eines Fabry-Perot-Interferometers, bei dem Licht durch eine Monomodefaser geführt wird und an einem Ende austritt, von einem Spiegel reflektiert und wieder in die Faser zurückreflektiert wird, und die Phasenänderung des an dem einen Ende der Monomodefaser austretenden und an dem Spiegel wieder in die Faser zurückreflektierten Lichts erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Monomodefaser frei aufgehängt transversal zur Faser längsachse schwingen kann und daß das Licht an einer ebenen Oberfläche des Spiegels reflektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungskennlinie für kleine Vibrationen eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit der Interferometerphase von der Vibrationsamplitude aufweist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 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 ermittelt wird: wobei
l die Länge des frei schwingenden Faserabschnitts und
λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Auslenkung (w) nach der folgenden Formel die Beschleuni gung (a) ermittelt wird wobei
E der Elastizitätsmodul der Monomodefaser,
R der Faserradius und
ρ die Dichte des Fasermaterials ist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtphase (Φ) des Meßsignals durch Addition der erfaßten Pha senänderung (ΔΦ) mit einer Anfangsphase (Φ₀) gemäß nachfolgender For mel 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 einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationssignal einer Spektrumsanalyse zur Klassifizierung des Vi brationsfrequenzspektrums unterzogen wird.

7. Anordnung zur Beschleunigungs- und Vibrationsmessung mit einem Fabry- Perot-Interferometer, einer Lichtquelle (2), einer Monomodefaser (12), einem Reflektor (24) und einem Photodetektor (28), dadurch gekennzeichnet, daß dicht beabstandet gegenüber dem Ende der Faser (12) der Reflektor (24) in Form eines ebenen Spiegels angeordnet ist und daß das Ende der Monomodefaser (12) einen Sensorfaserabschnitt (22) bildet, der mit einer definierten Länge (l) frei über eine feste Einspannung (20) hinausragt und transversal schwingen kann.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorfaserabschnitt (22) zusammen mit dem Reflektor (24) in ei nem Sensorgehäuse (18) angeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor eine kurze Reflektorfaser (24) ist, die in einer Einspan nung (23) so gehaltert ist, daß die Stirnfläche der Reflektorfaser (24) der Stirnfläche der Sensorfaser (22) dicht beabstandet gegenüberliegt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle (2) und Monomodefaser (12) ein Richtkoppler (4) vorgesehen ist, um das phasenmodulierte Interferenzsignal als Intensitäts änderung dem Photodetektor (28) zuzuführen.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von Reflektor (24) und Ende der Faser (12) zwischen einigen und einigen 10 µm beträgt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspannung der Monomodefaser und/oder als Gehäuse Quarzglas- Präzisionskapillaren eingesetzt werden.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene des Reflektors (24) während der aufgebauten Messung senk recht steht und das Ende des Sensorfaserabschnitts (22) im wesentlichen horizontal verläuft, so daß unter Schwerkrafteinfluß das Ende des Sensorfa serabschnitts (22) geringfügig aus der Horizontalen nach unten abgebogen ist.