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CN102538662A - 根据干涉量度学原理的偏转测量设备 - Google Patents

根据干涉量度学原理的偏转测量设备 Download PDF

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CN102538662A CN2011103356067A CN201110335606A CN102538662A CN 102538662 A CN102538662 A CN 102538662A CN 2011103356067 A CN2011103356067 A CN 2011103356067A CN 201110335606 A CN201110335606 A CN 201110335606A CN 102538662 A CN102538662 A CN 102538662A
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Abstract

涉及根据干涉量度学原理的偏转测量设备，具有辐射源、实现第一光程的第一纤维光学装置、实现第二光程的第二纤维光学装置、偏转体和分析电路，其中第一纤维光学装置和第二纤维光学装置在输入侧可用辐射源的能干涉的辐射施加，其中至少第一纤维光学装置与偏转体连接，和在第一纤维光学装置中引导的第一分辐射和在第二纤维光学装置中引导的第二分辐射在输出侧汇合并且向分析电路输送干涉辐射和通过分析电路分析，其中第一纤维光学装置和第二纤维光学装置仅在偏转体处布置，第一纤维光学装置和/或第二纤维光学装置在输入侧用唯一的光学供给纤维与辐射源连接，第一纤维光学装置和/或第二纤维光学装置在输出侧用唯一的光学分析纤维与分析电路连接。

Description

根据干涉量度学原理的偏转测量设备
技术领域
本发明涉及一种根据干涉量度学原理(Interferometrieprinzip)的偏转测量设备，具有辐射源、实现第一光程的第一纤维光学装置、实现第二光程的第二纤维光学装置、偏转体和分析电路，其中第一纤维光学装置和第二纤维光学装置在输入侧可施加有辐射源的能干涉的辐射，其中至少第一纤维光学装置与偏转体连接，并且其中在第一纤维光学装置中引导的第一分辐射和在第二纤维光学装置中引导的第二分辐射在输出侧汇合并且向分析电路输送干涉辐射，并且通过分析电路分析。
背景技术
基于干涉量度学原理的偏转测量设备在现有技术中很久以来公知，并且所述偏转测量设备在那里到处得到应用，其中必须以高灵敏度进行和识别偏转体的机械偏转。例如在基于偏转体的重复的或者还周期性的偏转的振动测量设备的领域内应用，其中偏转体的偏转要么通过物理过程-例如在涡旋流量测量时-外部确定，或者其中激励偏转体的偏转并且真正感兴趣的参量例如在被激励的振荡的阻尼中存在-例如在粘度测量时。在另外的测量任务中感兴趣的是偏转体的偏转的程度，例如在压力或者压差测量的情况下对膜的偏转在测量技术上检测时。
此外，纤维光学(faseroptisch)干涉量度学因此是具有优点的，因为能够探测非常小的偏转，亦即处于使用的辐射的(子)波段内的偏转。已知用干涉仪使两个在时间上足够相干的-亦即能干涉的-射束重叠。通常-相干的-辐射源的辐射用分束器分成第一分射束和第二分射束，其中在这里关注的对纤维光学装置的应用的情况下分射束正是通过这些纤维光学装置引导。第一分射束和第二分射束的通过纤维光学装置实现的光程也称为干涉仪的臂。在干涉仪的输出处，分射束汇合并且引起干涉。干涉仪的输出处的辐射强度与两个干涉的分射束的相位差的余弦成比例。相位差的变化，例如通过干涉仪臂的长度的最小的变化引起，导致干涉仪的输出处的可探测的强度变化，其中长度变化在本情况下由此产生：使光程之一通过偏转体引导，使得偏转体的偏转直接对光程的长度起作用并且从而能被探测。这里概念“纤维光学装置”不限制地在波导的意义上来理解，尽管它也可以涉及波导。用纤维光学装置例如也可以指光波导内的不同的芯。
作为干涉仪经常使用马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder-Interferometer)，原则上也可以设想其他干涉仪类型，例如迈克尔逊干涉仪。为产生在干涉仪中使用的辐射，半导体激光器特别适合作为辐射源。即使在这里提到用纤维光学装置实现的光程，也可以不限制地仅将其理解为可见的电磁辐射，更确切地说其可以涉及任意的电磁辐射，只要其适合干涉量度学领域中的纤维光学应用。
然而干涉仪的测量方法的高灵敏性不仅带来优点，而且伴随带来缺点，因为由于高灵敏性始终存在产生不希望的干扰信号的危险，这特别在过程测量技术的经常恶劣的环境中如此。这里问题在于，必须使偏转体与在其上固定的第一或第二纤维光学装置一起趋于要检测的过程，然而分析电路应该尽可能远离该过程布置，例如在高温或者高压应用的情况下。除分析电路外，使用的光学耦合器对于热和机械负荷也经常是灵敏的，其中光学耦合器构成第一和第二纤维光学装置的交互作用区域。当必须把光学耦合器远离在测量技术上要检测的物理过程布置时，强制地将通过第一纤维光学装置和通过第二纤维光学装置构成的光程的非常大的延伸与此相联系。然而这也意味着，对偏转灵敏的区域不仅限于偏转体，而且也限于对偏转体的必要时广阔延伸的引线区域，这出于前述的原因可能是有问题的。
发明内容
因此本发明的任务在于，说明一种在使用纤维光学装置的情况下根据干涉量度学原理的偏转测量设备，其不容易受在分析单元和偏转体之间作用的干扰。
前面导出和所述的任务在本发明以其为出发点的、根据干涉量度学原理的偏转测量设备的情况下通过以下方式解决：第一纤维光学装置和第二纤维光学装置仅在偏转体处布置，第一纤维光学装置和/或第二纤维光学装置在输入侧用唯一的光学供给纤维与辐射源连接，并且第一纤维光学装置和/或第二纤维光学装置在输出侧用唯一的光学分析纤维与分析电路连接。如果第一纤维光学装置和第二纤维光学装置必须仅在偏转体处布置，则这意味着实现第一和第二光程的纤维光学装置仅在偏转体的区域中延伸，而不突出偏转体，并且也不对辐射源和对分析电路构成任何直接的连接。更确切地说，第一纤维光学装置和/或第二纤维光学装置与辐射源的连接通过唯一的光学供给纤维实现，其中为此不使用中间连接的光学耦合器，更确切地说，光学纤维之间-即供给纤维和第一和/或第二纤维光学装置以及分析纤维和第一和/或第二纤维光学装置之间-的连接以公知的方法建立，也即例如通过热接合。该结构所基于的认识是：第一纤维光学装置和第二纤维光学装置的分辐射之间的技术上可应用的干涉效应也能够在无带有分立的光学耦合器的常见的结构的情况下实现。
根据本发明的一种优选的扩展方案规定，第一纤维光学装置和第二纤维光学装置共同通过一条-亦即唯一的-光学多芯纤维构成，亦即通过光学纤维内的多个光学芯实现。第一和第二纤维光学装置的光程在该一条光学多芯纤维中分别作为导光的芯束实现，其例如共同由低折射材料(包层)包围。优选地，第一纤维光学装置和第二纤维光学装置通过光学双芯纤维实现，其中每一光程均通过双芯纤维光学的芯构成。
在本发明的一种优选的扩展方案中，多芯或者双芯纤维用导光的芯和同心地包围芯的导光的环区实现，其中该对称的结构伴随带来不具有优先方向的优点，这还简化同心纤维的安装。
在一个优选的实施例中，第一纤维光学装置和/或第二纤维光学装置既在多芯变型方案中也在双芯变型方案中作为微结构化的光学纤维构成。考虑形式为作为实芯纤维(Solid Core PCF)以及作为空芯纤维(Holey Core PCF)的光子晶体纤维的实现。
本发明的一种有利的扩展方案在于，光学供给纤维和光学分析纤维通过光学单芯纤维构成，其中不言而喻也可以通过光学单芯纤维仅构成光学供给纤维和仅构成光学分析纤维。用单芯纤维实际上能够桥接一方面辐射源和分析电路和另一方面对干涉仪的测量决定的光程之间的任意距离，因为单芯纤维对于某一机械影响不灵敏。在第一和第二纤维光学装置与辐射源或者分析电路之间的该区域中，实际上干扰不能被引入到测量过程中。
本发明的一种完全特别优选的扩展方案的特征在于，使第一纤维光学装置和第二纤维光学装置彼此如此接近，使得在分别一个纤维光学装置内引导的分辐射对分别另一个纤维光学装置上的串扰是可能的。通过该措施能够以特别简单的方式用来自辐射源的辐射既对第一纤维光学装置也对第二纤维光学装置施加，因为仅对两个纤维光学装置中的唯一一个施加辐射即已足够。此外这种布置提供另外的优点，即在第一纤维光学装置中和在第二纤维光学装置中引导的分辐射之间的干涉形式的相互作用也是可能的，无需分辐射的传统的汇合。
为产生技术上足够好的可分析的信号，选择第一纤维光学装置和第二纤维光学装置之间的间距小于所引导的分辐射的10个波长，优选选择间距小于所引导的分辐射的5个波长，因为根据本发明于是实现分辐射的足够强的串扰。特别是第一纤维光学装置和第二纤维光学装置之间的分辐射的串扰通过在第一纤维光学装置外和/或在第二纤维光学装置外引导的、分辐射的渐消失的部分进行。辐射的所述部分在纤维光学芯外在围绕纤维芯的低折射区内无损失地运动，并且在两个纤维光学装置-这里是纤维光学芯-的上述足够接近的情况下能够向分别相邻的芯串扰，并且在能力被继续引导。
如果光学供给纤维具有如此大的导光横截面，使得供给纤维在输入侧的对接位置处至少部分覆盖第一纤维光学装置的导光横截面和第二纤维光学装置的导光横截面，使得实际上能够对两个纤维光学装置施加来自辐射源的辐射，则表明对于向第二纤维光学装置耦合输入辐射或者从第二纤维光学装置耦合输出辐射是特别没有问题的。相应有利的是，光学分析纤维具有如此大的导光横截面，使得分析纤维在输出侧的对接位置处至少部分覆盖第一纤维光学装置的导光横截面和第二纤维光学装置的导光横截面。在上述应用例中多模纤维特别适用于供给纤维和分析纤维，所述多模纤维通常具有比单模纤维情况下更大的横截面的导光的芯。
在本发明的偏转测量设备的一种可替代的变型方案中规定，光学供给纤维的导光横截面在输入侧的对接位置处仅至少部分覆盖第一纤维光学装置的导光横截面或者第二纤维光学装置的导光横截面，使得在该实施例中仅能够向第一纤维光学装置或者可替代地向第二纤维光学装置直接供给，前提是，第一纤维光学装置和第二纤维光学装置足够接近地并排走向，如这在上面已经说明的那样。相应可以附加地或者可替代地规定，光学分析纤维的导光横截面在输出侧的对接位置处仅至少部分覆盖第一纤维光学装置的导光横截面或者第二纤维光学装置的导光横截面，由此保证仅从构成光程的纤维光学装置之一直接耦合输出。这前提同样是，第一纤维光学装置中的第一分辐射和第二纤维光学装置中的第二分辐射由于两个纤维光学装置足够接近而变得能够以干涉仪方式相互作用。在该实施例中能够为耦合输入辐射和耦合输出辐射而简单地使用按照常规构造方式的并且具有常规芯直径的单芯纤维。向第一和第二纤维光学装置共同耦合输入或者耦合输出辐射或者仅向两个纤维光学装置之一耦合输入辐射和仅从纤维光学装置之一耦合输出分辐射的前述措施可以以不同方式组合。
附图说明
详细地，现在有多个扩展和改进本发明的偏转测量设备的可能性。为此一方面参照从属于权利要求1的权利要求，另一方面参照结合附图对于实施例的以下说明。附图中：
图1以压力测量设备为例示意表示从现有技术公知的基于干涉量度学原理的偏转测量设备的实现，
图2表示本发明的偏转测量设备的示意图，
图3表示按照图2的实施例的在膜上的纤维布置的详细视图，
图4表示在第一和第二纤维光学装置和分析纤维之间的对接位置的示意图，
图5表示在本发明的偏转测量设备的供给纤维、第一和第二纤维光学装置和分析纤维之间的过渡的另一示意图，
图6表示在本发明的偏转测量设备的供给纤维、第一和第二纤维光学装置和分析纤维之间的过渡的另一示意图，和
图7表示在本发明的偏转测量设备的供给纤维、第一和第二纤维光学装置和分析纤维之间的过渡的另一示意图。
具体实施方式
在图1中表示从现有技术公知的偏转测量设备，其根据干涉量度学原理工作并且当前在涡旋流量测量设备中用于压差测量。该偏转测量设备1具有辐射源2，并且此外具有实现第一光程的第一纤维光学装置3和实现第二光程的第二纤维光学装置4。偏转体5在本情况下是平面膜，其由流经未详细进一步表示的流量测量设备的介质包围。
第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4在输入侧被施加辐射源2的能干涉的辐射，其中在本情况下第一纤维光学装置3与作为膜构造的偏转体5连接。通常光学耦合器7、8用于，首先使仅在第二纤维光学装置4中存在的辐射部分地也向第一纤维光学装置3传输，使得保证后来在第二光学耦合器8中再次汇合的来自第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4的第一分辐射和第二分辐射能够干涉。
根据作为膜构造的偏转体5的偏转程度和由此引起的在第一纤维光学装置3中的第一光程的长度变化，在分析电路6处作为结果调整干涉辐射，其允许推断出偏转体5的偏转。在高温应用的情况下作为膜构造的偏转体5容易遭受高于100℃的温度，使得在实际的技术实现中光学耦合器7和8、辐射源2和分析电路6与真正的测量位置(即偏转体5)有意地间隔开。然而这具有负面效应，即在两个光学耦合器7和8之间的机械上敏感的线段不仅在偏转体5的区域内被构造，而且也在显著更远的路段上被构造，在该路段上存在干扰杂散(Einstreuung)的危险，所述干扰例如能够通过偏转测量设备中的振动引起。
在图2中完全示意地表示本发明的偏转测量设备的结构，其中偏转体5的偏转的真正感兴趣的测量的机械干扰不能如此简单地出现。这里第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4仅在偏转体5处布置，亦即如此与偏转体5连接，使得偏转体5的偏转还自动地导致通过第一纤维光学装置3和通过第二纤维光学装置4定义的光程的变化，并且从而导致可分析的干涉现象，其通过分析电路6探测。
在本情况下，第一纤维光学装置3在输入侧用唯一的光学供给纤维9与辐射源2连接，并且该第一纤维光学装置3在输出侧同样用唯一的光学分析纤维10与分析电路6连接。通过光学供给纤维9和光学分析纤维10定义的光程实际上是无干扰的，因为在这里不能产生干涉。因此所示的布置是有利的，因为在这里完全放弃分立地应用纤维光学耦合器-例如其在图1的实施例中所应用的那样。在供给纤维9和第一纤维光学装置3以及分析纤维10和第一纤维光学装置3之间的光学连接在这里通过常见的接合技术(Spleisstechnik)实现。
如根据图3可以看出，第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4共同通过光学双芯纤维实现，亦即通过以下纤维，在该纤维中两个光学芯嵌入低折射的包封11中。同样在图3中可以看出，光学供给纤维9和光学分析纤维10分别通过光学单芯纤维构成，其同样分别具有光学能传导的芯和低折射的包封11。
在所有所示的实施例中，使第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4彼此如此接近，使得在分别一个纤维光学装置3、4中引导的分辐射对分别另一纤维光学装置4、3的串扰是可能的，其中当前在第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4之间的间距小于所引导的分辐射的5个波长。由此在所示的实施例中保证，在第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4之间的分辐射的串扰通过在第一纤维光学装置3外和在第二纤维光学装置4外引导的、分辐射的渐消失的部分进行。
在图3中可以看出，构成第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4的双芯纤维具有弄平部(Ablachung)12，并且利用该弄平部12平整地放在偏转体5处，其中注意的是，弄平部12关于双芯纤维的芯始终不变地取向，亦即在本情况下芯在弄平部12上方垂直地并且一个接一个地布置。通过这种布置保证，第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4不精确地经历相同的偏转，亦即在偏转体5偏转时光程被不同地缩短或者延长，使得能够察觉产生的干涉效应。
在图4到图7中完全示意地表示光学供给纤维9和第一纤维光学装置3以及第二纤维光学装置4之间的过渡的不同的扩展方案或者在第一纤维光学装置3以及第二纤维光学装置4和分析纤维10之间的扩展方案。
在图4中表示，光学供给纤维9具有如此大的导光横截面，使得供给纤维9在输入侧的对接位置处至少部分地覆盖第一纤维光学装置3的导光横截面和第二纤维光学装置4的导光横截面，其中这对于光学分析纤维10也同样适用，所述光学分析纤维10具有如此大的导光横截面，使得它在输出侧的对接位置处至少部分地共同覆盖第一纤维光学装置3的导光横截面和第二纤维光学装置4的导光横截面。
图5、6和7的实施例具有共同点，即光学供给纤维9的导光横截面在输入侧的对接位置处仅至少部分覆盖第一纤维光学装置3的导光横截面或者第二纤维光学装置4的导光横截面。此外，图5和6的实施例具有共同点，即光学分析纤维10的导光横截面在输出侧的对接位置处仅至少部分覆盖第一纤维光学装置3的导光横截面。
在图5的实施例中实现的连接模式规定，光学供给纤维9仅向第一纤维光学装置3以及第二纤维光学装置4中的一个纤维光学装置中耦合输入辐射，亦即当前仅向第一纤维光学装置3，并且分析纤维10仅从供给纤维9将辐射耦合输入到的该同一纤维光学装置3耦合输出分辐射。由于向第二纤维光学装置4的串扰的效应，该第二纤维光学装置4也引导分辐射，其中该分辐射最终以干涉的方式向第一纤维光学装置3返回耦合，使得能够通过未明确表示的分析电路分析通过分析纤维10传送的干涉辐射。
在图6的实施例中采取另一种途径。这里光学供给纤维9也-如图5的实施例中那样-仅向第一纤维光学装置3以及第二纤维光学装置4中的一个纤维光学装置中耦合输入辐射，即当前向第二纤维光学装置4，然而分析纤维10仅从第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4中的、供给纤维9不直接将辐射耦合输入到的该纤维光学装置耦合输出分辐射，亦即分析纤维10在这里与第一纤维光学装置3连接。在该实施例中在第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4之间的串扰的可能性也是偏转测量设备的功能能力的必要的前提。
在图7的实施例中，光学供给纤维9同样仅向第一纤维光学装置3以及第二纤维光学装置4中的唯一纤维光学装置中耦合输入辐射，亦即当前向第二纤维光学装置4，然而在输出侧，分析纤维10在输出侧共同耦合输出第一纤维光学装置3和第二纤维光学装置4的分辐射，其中分析纤维10在所示情况下是多模纤维(Multimode-Faser)。

Claims (11)

1.根据干涉量度学原理的偏转测量设备(1)，具有辐射源(2)、实现第一光程的第一纤维光学装置(3)、实现第二光程的第二纤维光学装置(4)、偏转体(5)和分析电路(6)，其中第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)在输入侧可被施加辐射源(2)的能干涉的辐射，其中至少第一纤维光学装置(3)与偏转体(5)连接，并且其中在第一纤维光学装置(3)中引导的第一分辐射和在第二纤维光学装置(4)中引导的第二分辐射在输出侧汇合并且向分析电路(6)输送干涉辐射，并且通过分析电路(6)分析，其特征在于，
第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)仅在偏转体(5)处布置，第一纤维光学装置(3)和/或第二纤维光学装置(4)在输入侧用唯一的光学供给纤维(9)与辐射源(2)连接，并且第一纤维光学装置(3)和/或第二纤维光学装置(4)在输出侧用唯一的光学分析纤维(10)与分析电路(6)连接。
2.根据权利要求1所述的偏转测量设备，其特征在于，第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)共同通过光学多芯纤维构成，特别通过光学双芯纤维构成。
3.根据权利要求1或2所述的偏转测量设备，其特征在于，光学供给纤维(9)和/或光学分析纤维(10)通过光学单芯纤维构成。
4.根据权利要求1到3之一所述的偏转测量设备，其特征在于，使第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)彼此如此接近，使得在分别一个纤维光学装置(3、4)中引导的分辐射对分别另一纤维光学装置(4、3)的串扰是可能的，特别是第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)之间的间距小于所引导的分辐射的10个波长，优选小于所引导的分辐射的5个波长。
5.根据权利要求4所述的偏转测量设备，其特征在于，第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)之间的分辐射的串扰通过在第一纤维光学装置(3)外和/或在第二纤维光学装置(4)外引导的、分辐射的渐消失的部分进行。
6.根据权利要求2和3到5之一所述的只要引用权利要求2的偏转测量设备，其特征在于，多芯或者双芯纤维具有弄平部(12)，并且利用该弄平部(12)放在偏转体(5)处，特别是其中弄平部(12)关于多芯或者双芯纤维的芯始终不变地取向，所述芯特别是在弄平部(12)上方垂直地并且一个接一个地布置。
7.根据权利要求1到6之一所述的偏转测量设备，其特征在于，光学供给纤维(9)具有如此大的导光横截面，使得供给纤维(9)在输入侧的对接位置处至少部分覆盖第一纤维光学装置(3)的导光横截面和第二纤维光学装置(4)的导光横截面，和/或光学分析纤维(10)具有如此大的导光横截面，使得分析纤维(10)在输出侧的对接位置处至少部分覆盖第一纤维光学装置(3)的导光横截面和第二纤维光学装置(4)的导光横截面。
8.根据权利要求1到7之一所述的偏转测量设备，其特征在于，光学供给纤维(9)的导光横截面在输入侧的对接位置处仅至少部分覆盖第一纤维光学装置(3)的导光横截面或者第二纤维光学装置(4)的导光横截面，和/或光学分析纤维(10)的导光横截面在输出侧的对接位置处仅至少部分覆盖第一纤维光学装置(3)的导光横截面或者第二纤维光学装置(4)的导光横截面。
9.根据权利要求8所述的偏转测量设备，其特征在于，光学供给纤维(9)仅向第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)中的一个纤维光学装置耦合输入辐射，并且分析纤维(10)仅从供给纤维(9)将辐射耦合输入到的该同一纤维光学装置(3、4)耦合输出分辐射。
10.根据权利要求8所述的偏转测量设备，其特征在于，光学供给纤维(9)仅向第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)中的一个纤维光学装置耦合输入辐射，并且分析纤维(10)仅从第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)中的、供给纤维(9)不直接将辐射耦合输入到的该纤维光学装置耦合输出分辐射。
11.根据权利要求7和8所述的偏转测量设备，其特征在于，光学供给纤维(9)仅向第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)中的一个纤维光学装置耦合输入辐射，并且分析纤维(10)在输出侧耦合输出第一纤维光学装置(3)和第二纤维光学装置(4)的分辐射。
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