DE19913800A1 - Arrangement for evaluating narrowband optical signals, especially from fiber Bragg grids, has lens coupler for signal division, frequency amplitude conversion at filter layer between lenses - Google Patents
Arrangement for evaluating narrowband optical signals, especially from fiber Bragg grids, has lens coupler for signal division, frequency amplitude conversion at filter layer between lensesInfo
- Publication number
- DE19913800A1 DE19913800A1 DE1999113800 DE19913800A DE19913800A1 DE 19913800 A1 DE19913800 A1 DE 19913800A1 DE 1999113800 DE1999113800 DE 1999113800 DE 19913800 A DE19913800 A DE 19913800A DE 19913800 A1 DE19913800 A1 DE 19913800A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fiber bragg
- coupler
- arrangement
- bragg grating
- grin lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000011157 data evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35335—Aspects of emitters or receivers used by an interferometer in an optical fibre sensor arrangement
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
- G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auswertung schmal bandiger optischer Signale, insbesondere von Faser-Bragg-Git tern, bestehend aus einer Faser-Bragg-Gitter-Anordnung und einer Auswerteeinheit, mit der das vom Faser-Bragg-Gitter rückreflektierte optische Signal zur Bestimmung seiner Wellen länge geteilt, die Signale detektiert, verstärkt und mittels entsprechender Hard- und Software ausgewertet werden.The invention relates to an arrangement for evaluation narrow banded optical signals, especially from fiber Bragg-Git tern, consisting of a fiber Bragg grid arrangement and an evaluation unit with which the fiber Bragg grating back-reflected optical signal to determine its waves length divided, the signals detected, amplified and by means of appropriate hardware and software can be evaluated.
Faser-Bragg-Gitter sind Sensoren in Glasfasern, die unter anderem zur Messung von Dehnung und Temperatur eingesetzt werden. So beispielsweise zur Langzeitüberwachung von Bauwer ken, wie Brücken oder ähnliches. Sie sind in sehr geringen Abmessungen herstellbar und besitzen gute Stabilitätseigen schaften, das heißt, sie sind über einen sehr langen Zeitraum einsetzbar. Sie arbeiten quasi kalibrierfrei und können an oder in verschiedene Materialien appliziert werden. Es erfolgt keine Beeinflussung durch elektromagnetische Störstrahlung. Faser-Bragg-Gitter lassen sich einfach kaskadieren, ihr Meß signal ist wellenlängenkodiert und somit dämpfungsunabhängig.Fiber Bragg gratings are sensors in glass fibers that are under used for measuring strain and temperature become. For example, for long-term monitoring of builders such as bridges or the like. They are in very little Dimensions can be produced and have good stability properties that means they are over a very long period of time applicable. They work practically without calibration and can work on or applied in different materials. It takes place no interference from electromagnetic interference. Fiber Bragg gratings can easily be cascaded, your measurement signal is wavelength-coded and therefore independent of attenuation.
Zur Auswertung der Meßsignale muß die Wellenlänge des durch das Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtes bestimmt werden. To evaluate the measurement signals, the wavelength of the the fiber Bragg grating determines reflected light become.
Bekannt ist, optische Spektrumsanalysatoren in Verbindung mit einer breitbandigen Lichtquelle, wie Erbiumverstärker oder ELED einzusetzen. Diese genügen jedoch meist nicht den hohen Anforderungen bezüglich Auflösung und Absolutgenauigkeit. Außerdem muß die Wellenlänge extern in die vom Sensor gemesse ne physikalische Größe umgerechnet werden. Für dynamische Messungen ist diese Anordnung auch aufgrund langer Scanzeiten nicht geeignet.It is known to use optical spectrum analyzers in conjunction a broadband light source, such as erbium amplifiers or Use ELED. However, these are usually not sufficient for the high ones Resolution and absolute accuracy requirements. In addition, the wavelength must be measured externally to that of the sensor ne physical quantity can be converted. For dynamic This arrangement is also due to long scanning times not suitable.
Eine weitere Anordnung und zugehöriges Verfahren offenbart die US 5,319,435. Hiernach wird eine Anordnung zur Auswertung von Dehnungs- oder Temperaturzuständen eines Materials beschrie ben, die aus einem optischen Sensor besteht, der als Fühl element ein Bragg-Gitter aufweist und der mit dem auszuwerten den Material so verbunden ist, daß sich bei Änderung des Mate rialzustandes auch die charakteristische Bragg-Wellenlänge des Bragg-Gitters ändert. Die Anordnung besteht des weiteren aus einer breitbandigen Lichtquelle, von der aus das optische Signal über einen optischen Koppler zum Bragg-Gitter geleitet wird und aus einer Anordnung zur Teilung des schmalen Spek trums des vom Bragg-Gitter rückreflektierten Lichtes in wenig stens zwei Signale, bestehend aus einem weiteren optischen Koppler, sowie einer Verarbeitungsanordnung zum Auswerten der Signale. Mittels wenigstens eines speziellen Filters erfolgt eine Wellenlängen-Amplituden-Wandlung, um die Wellenlänge des vom Sensor rückreflektierten Lichtes zu bestimmen. Photodioden detektieren die Signale, die anschließend verstärkt, mittels entsprechender Hard- und Software ausgewertet und in die ge messene physikalische Größe umgerechnet werden.Another arrangement and associated method discloses the US 5,319,435. An arrangement for evaluating Strain or temperature states of a material are described ben, which consists of an optical sensor that acts as a sensor element has a Bragg grating and which can be evaluated with it the material is connected so that when the mate changes the characteristic Bragg wavelength of the Bragg grid changes. The arrangement also consists of a broadband light source from which the optical Signal passed to the Bragg grating via an optical coupler is and from an arrangement to divide the narrow spec of the light reflected back from the Bragg grating in little at least two signals, consisting of another optical Coupler, as well as a processing arrangement for evaluating the Signals. Using at least one special filter a wavelength-to-amplitude conversion to the wavelength of the to determine light reflected back from the sensor. Photodiodes detect the signals, which are then amplified, by means of appropriate hardware and software evaluated and in the ge measured physical quantity can be converted.
Nachteilig an dieser Lösung sind neben der Empfindlichkeit gegenüber Rückreflexionen, Meßwertschwankungen aufgrund von polarisationsabhängigen Verlusten bei der Signalaufteilung.In addition to sensitivity, this solution is disadvantageous against back reflections, measured value fluctuations due to polarization-dependent losses in signal splitting.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Anordnung der ein gangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß polarisationsabhän gige Verluste bei der Signalaufteilung auf ein Minimum be schränkt werden, die Absolutgenauigkeit der Meßwerte erhöht, ein Empfindlichkeitsgewinn erzielt wird und die Auswertung des rückreflektierten optischen Signals technologisch einfacher und kostengünstiger durchführbar ist.It is therefore an object of the invention to arrange the one gangs mentioned kind so that polarization depend losses to a minimum be restricted, the absolute accuracy of the measured values is increased, a gain in sensitivity is achieved and the evaluation of the retroreflected optical signal technologically easier and is more cost-effective.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, daß die Auswerteeinheit zur Signalaufteilung und Frequenz-Amplituden- Wandlung des rückreflektierten optischen Signals einen GRIN- Linsen-Koppler aufweist, an dessen zwischen beiden GRIN-Linsen angeordneter und fest mit den Linsen verbundener Filterschicht die Frequenz-Amplituden-Wandlung erfolgt.According to the invention the object is achieved by an arrangement according to the Preamble of claim 1 solved in that the Evaluation unit for signal distribution and frequency amplitude Conversion of the back-reflected optical signal a GRIN Has lens coupler, between the two GRIN lenses arranged filter layer and firmly connected to the lenses the frequency-amplitude conversion takes place.
Mit dieser Anordnung werden polarisationsabhängige Verluste nahezu vollständig unterbunden, da der GRIN-Linsen-Koppler gegenüber bekannten faseroptischen Kopplern, wie beispiels weise Schmelzkoppler nach einem völlig anderen Wirkprinzip arbeitet. Seine Filtercharakteristik ist durch entsprechende Dimensionierung der Filterschicht frei wählbar, die thermi schen Einflüsse auf die Filtercharakteristik sind ebenfalls sehr gering. Der Einsatz dieses einen kompakten Bauelementes, welches beide Funktionen, nämlich Teilung des rückreflektier ten Signals bei gleichzeitiger Frequenz-Amplituden-Wandlung durchführt, unterbindet die Freistrahlung des Lichtes, wodurch Fabry-Perot-Effekte, welche die Meßgenauigkeit verringern, unterdrückt werden. Zusätzlich wird ein Empfindlichkeitsgewinn in Bezug auf die in der US 5,319,43 beschriebenen Anordnung erzielt. Weitere spezielle Filter, die als gesonderte Bauteile in die Anordnung eingebunden werden müssen, sind nicht notwen dig. Daher ist die erfindungsgemäße Anordnung bei optimaler Meßdatenauswertung kostengünstig herstellbar, die Auswertung der Meßdaten erfolgt auf technologisch einfache Art und Weise.With this arrangement, polarization-dependent losses almost completely prevented because of the GRIN lens coupler compared to known fiber optic couplers, such as wise melting coupler according to a completely different principle of action is working. Its filter characteristic is characterized by corresponding Dimensioning of the filter layer freely selectable, the thermi influences on the filter characteristics are also very low. The use of this one compact component, which has both functions, namely division of the back reflection th signal with simultaneous frequency-amplitude conversion performs, prevents the free radiation of light, whereby Fabry-Perot effects, which reduce the measuring accuracy, be suppressed. In addition, a gain in sensitivity with respect to the arrangement described in US 5,319,43 achieved. Other special filters, which are separate components need to be included in the arrangement are not necessary dig. The arrangement according to the invention is therefore more optimal Measurement data evaluation can be produced inexpensively, the evaluation the measurement data is carried out in a technologically simple manner.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die Auswerteeinheit aus wenigstens einer breitbandigen Lichtquelle, die mittels Lichtleitfaser ihr Licht in einen faseroptischen Koppler einspeist, der es in ein Faser-Bragg-Gitter weiterleitet und das rückreflektierte Licht direkt dem GRIN-Linsen-Koppler zuleitet, dem faseroptischen Koppler, dem GRIN-Linsenkoppler und der Anordnung zur Ver arbeitung der geteilten Signale, bestehend aus Photodioden, Verstärkern und der Hard- und Software.According to an advantageous embodiment of the invention The evaluation unit consists of at least one arrangement broadband light source using optical fiber your Feeds light into a fiber optic coupler, which it into a Fiber Bragg grating forwards and the back-reflected light fed directly to the GRIN lens coupler, the fiber optic Coupler, the GRIN lens coupler and the arrangement for ver working of the divided signals, consisting of photodiodes, Amplifiers and the hardware and software.
Mit diesem konstruktiv einfachen Aufbau der Anordnung können über einen langen Zeitraum hinweg beispielsweise Dehnungs änderungen eines Materials oder eines Bauwerkes mittels eines vor Ort angeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensors durchgeführt werden. Der Sensor kann dabei direkt in das Material eingebet tet sein. Die Daten sind jederzeit abruf- und an zentraler Stelle mittels der Auswerteeinheit bei hoher Genauigkeit aus wertbar.With this structurally simple structure of the arrangement can over a long period of time, for example Changes to a material or structure using a fiber Bragg grating sensor arranged on site become. The sensor can be embedded directly in the material be. The data can be called up at any time and is more central Issue with the evaluation unit with high accuracy valuable.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung weist die Faser-Bragg-Gitter-Anordnung wenigstens zwei Faser-Bragg-Gitter auf, die über einen optischen Schalter mit dem faseroptischen Koppler verbunden sind.According to another advantageous embodiment of the inventions arrangement according to the invention has the fiber Bragg grating arrangement at least two fiber Bragg gratings over one optical switch connected to the fiber optic coupler are.
Hiernach kann die Auswerteeinheit zur Auswertung der Meßdaten kostengünstig für mehrere Faser-Bragg-Gitter genutzt werden. Mit Hilfe des optischen Schalters werden die auszuwertenden, rückreflektierten Signale der einzelnen Faser-Bragg-Gitter wahlweise oder nach einem vorgegebenen Programm zum GRIN-Lin sen-Koppler geleitet.After this, the evaluation unit can evaluate the measurement data can be used inexpensively for several fiber Bragg gratings. With the help of the optical switch, the back-reflected signals of the individual fiber Bragg gratings optionally or according to a predefined program for the GRIN-Lin sen coupler.
Aus Kosten und technologischen Gründen von Vorteil ist auch, wenn die Auswerteeinheit wenigstens zwei parallel geschaltete und im Zeitmultiplex arbeitende, breitbandige Lichtquellen aufweist, die über jeweils einen faseroptischen Koppler mit jeweils einem Faser-Bragg-Gitter verbunden sind.It is also advantageous for cost and technological reasons if the evaluation unit has at least two connected in parallel and time-division multiplexed light sources has, each with a fiber optic coupler are each connected to a fiber Bragg grating.
Nach dieser Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, Meßdaten von Faser-Bragg-Gittern, die gleiche oder auch verschiedene physikalische Größen messen, auszuwerten. Da hierbei vermieden wird, mechanische Bauelemente in den An ordnungsaufbau einzubeziehen, erfolgen die Messungen schnel ler, die Meßanordnung ist weniger störanfällig. After this embodiment of the arrangement according to the invention, it is possible to measure data from fiber Bragg gratings, the same or also measure and evaluate different physical quantities. There this avoids mechanical components in the An measurements are carried out quickly ler, the measuring arrangement is less prone to failure.
Nach einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausführung des GRIN-Linsen-Kopplers weist dieser einen Eingang und zwei Ausgänge für Transmission und Reflexion auf.After a particularly simple and inexpensive execution The GRIN lens coupler has one input and two Outputs for transmission and reflection on.
Bei Einsatz der Auswerteeinheit zur Auswertung der Meßdaten mehrerer Faser-Bragg-Gitter ist es von Vorteil, wenn der GRIN- Linsen-Koppler wenigstens zwei Eingänge für das rückreflek tierte Licht der Faser-Bragg-Gitter und wenigstens zwei Aus gänge für Transmission und Reflexion aufweist.When using the evaluation unit to evaluate the measurement data several fiber Bragg gratings, it is advantageous if the GRIN Lens coupler at least two inputs for the back reflection light from the fiber Bragg grating and at least two out gears for transmission and reflection.
Dadurch werden weitere zusätzliche Bauelemente eingespart. Allerdings ist die Herstellung solcherart GRIN-Linsen-Koppler technologisch aufwendiger und damit kostenintensiver.This saves additional additional components. However, the manufacture of such a GRIN lens coupler technologically more complex and therefore more expensive.
Daher ist erfindungsgemäß des weiteren vorgesehen, daß bei Anordnung mehrerer breitbandiger Lichtquellen und einem GRIN- Linsen-Koppler, der nur einen Eingang aufweist, ein weiterer faseroptischer Koppler zwischengeschaltet ist, der wenigstens die gleiche Anzahl Eingänge aufweist, wie Faser-Bragg-Gitter angeordnet sind und der das rückreflektierte optische Signal aller angeordneter Faser-Bragg-Gitter zum GRIN-Linsen-Koppler leitet.Therefore, the invention further provides that at Arrangement of multiple broadband light sources and a GRIN Lens coupler that has only one input, another fiber optic coupler is interposed, at least has the same number of inputs as fiber Bragg gratings are arranged and the back-reflected optical signal all arranged fiber Bragg grating to the GRIN lens coupler directs.
Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei inThe arrangement according to the invention is described below with reference to Embodiments are explained in more detail. The associated Drawing shows in
Fig. 1 eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in prinzipieller Darstellung, Fig. 1 shows a simple embodiment of the arrangement according to the invention in a schematic representation,
Fig. 2 eine Anordnung zur Auswertung der Meßdaten zweier Faser = Bragg-Gitter, deren Meßdaten über einen opti schen Schalter der Auswerteeinheit zugeführt werden, Fig. 2 shows an arrangement for evaluating the measurement data of two fiber = Bragg grating, whose measurement data is supplied via an optical switch of the rule evaluation unit,
Fig. 3 einen GRIN-Linsen-Koppler mit zwei Ein- und zwei Aus gängen, Figure 3 is a GRIN-lens coupler with two inputs and two of corridors.,
Fig. 4 eine weitere Anordnung, in die der GRIN-Linsen-Koppler gemäß Fig. 3 einbezogen ist und zwei ELED-Lichtquel len, zwei 3 dB faseroptische Schmelzkoppler und zwei Faser-Bragg-Gitter aufweist und Fig. 4 shows another arrangement in which the GRIN lens coupler according to FIG. 3 is included and two ELED light sources, two 3 dB fiber optic fusion couplers and two fiber Bragg gratings and
Fig. 5 eine Anordnung mit zwei ELED-Lichtquellen, zwei 3 dB faseroptischen Schmelzkopplern, zwei Faser-Bragg-Git tern, einen zusätzlich zwischengeschalteten 3 dB fase roptischen Schmelzkoppler und einem GRIN-Linsen-Kopp ler mit nur einem Eingang. Fig. 5 shows an arrangement with two ELED light sources, two 3 dB fiber optic fusion couplers, two fiber Bragg grids, an additional intermediate 3 dB fiber optic fusion coupler and a GRIN lens coupler with only one input.
Nach Fig. 1 besteht die Anordnung zur Auswertung von schmal bandigen optischen Signalen aus der Faser-Bragg-Gitter-An ordnung 1 und der Auswerteeinheit 2. Die Auswerteeinheit 2 weist eine breitbandige Lichtquelle, beispielsweise eine ELED 3 auf, die über einen Lichtwellenleiter 4 mit einem optischen 3 dB-Schmelzkoppler 5 und mit einem Faser-Bragg-Gitter 6 der Faser-Bragg-Gitter-Anordnung 1 verbunden ist. Das Faser-Bragg- Gitter 6 ist beispielsweise als Dehnungssensor an oder in einer Brücke fest angeordnet und soll der Langzeitüberwachung von eintretenden Änderungen des Zustandes der Brücke dienen. Der Dehnungssensor besteht dabei im wesentlichen aus einem in einem - in der Zeichnung nicht gezeigten - Sensorträger an geordneten Lichtwellenleiter 7, der das Faser-Bragg-Gitter 6 aufweist.According to Fig. 1, the arrangement is for the evaluation of narrow bandigen optical signals from the fiber Bragg grating to trim 1 and the evaluation unit 2. The evaluation unit 2 has a broadband light source, for example an ELED 3 , which is connected via an optical waveguide 4 to an optical 3 dB melting coupler 5 and to a fiber Bragg grating 6 of the fiber Bragg grating arrangement 1 . The fiber Bragg grating 6 is arranged, for example, as a strain sensor on or in a bridge and is intended for long-term monitoring of changes in the state of the bridge that occur. The strain sensor consists essentially of a - in the sensor carrier (not shown in the drawing) to ordered optical waveguide 7 , which has the fiber Bragg grating 6 .
Der Schmelzkoppler 5 ist des weiteren direkt mit dem GRIN- Linsen-Koppler 8, der sowohl der Teilung als auch gleichzeitig der Frequenz-Amplituden-Wandlung des vom Faser-Bragg-Gitter 6 rückreflektierten Signals dient, verbunden.The fusible coupler 5 is also directly connected to the GRIN lens coupler 8 , which serves both for the division and simultaneously for the frequency-amplitude conversion of the signal reflected back by the fiber Bragg grating 6 .
Der GRIN-Linsen-Koppler 8 besteht im wesentlichen aus zwei GRIN-Linsen 9 und 10 und einer zwischen beiden fest angeordne ten Filterschicht 11, die als Kantenfilter ausgebildet ist. Das rückreflektierte Signal wird über einen Eingang 12 in den GRIN-Linsen-Koppler 8 geleitet und nach Teilung und Wandlung durch zwei Ausgänge 13, 14 je einer Photodiode 15, 16 und einem Verstärker 17, 18 zur Messung der Energiemenge und zur Umwandlung in Spannungsgrößen zugeführt. Die analogen Span nungswerte werden im weiteren in einem Analog-Digital-Wandler 19 digitalisiert und mittels eines Mikrocontrollers 20 zur Berechnung und Auswertung einem mit entsprechender Software ausgestatteten Computer 21 weitergereicht.The GRIN lens coupler 8 consists essentially of two GRIN lenses 9 and 10 and a filter layer 11 between two firmly arranged, which is designed as an edge filter. The back-reflected signal is fed via an input 12 into the GRIN lens coupler 8 and, after division and conversion, is fed through two outputs 13 , 14 each to a photodiode 15 , 16 and an amplifier 17 , 18 for measuring the amount of energy and converting it into voltage quantities . The analog voltage values are further digitized in an analog-to-digital converter 19 and passed on to a computer 21 equipped with the appropriate software by means of a microcontroller 20 for calculation and evaluation.
Die Funktionsweise der Anordnung ist folgende:The arrangement works as follows:
Das von der ELED 3 kommende breitbandige Licht wird mittels
des Schmelzkopplers 5 zum Bragg-Gitter 6 des Bragg-Gitter-
Sensors zugeleitet. Dieser leitet Signale in Abhängigkeit von
der Wellenlänge weiter, ein schmalbandiges optisches Signal
wird über den Koppler 5 rückreflektiert und zum GRIN-Linsen-
Koppler 8 geleitet. Hier wird das Leistungsspektrum des rück
reflektierten Lichtes entsprechend der vorgegebenen Filter
charakteristik in unterschiedliche Leistungsteile für
Transmission und Reflexion aufgeteilt. Dabei erfolgt gleich
zeitig die Bewertung des schmalbandigen optischen Signals
durch Frequenz-Amplituden-Wandlung. Die dadurch erhaltenen
zwei Signale unterschiedlicher Wertigkeit werden über die
Ausgänge 13 und 14 des GRIN-Linsen-Kopplers 8 jeweils einer
Photodiode 15 oder 16 und einem Verstärker 17 oder 18 zugelei
tet und in analoge Spannungswerte U1 beziehungsweise U2 wei
terverarbeitet. Diese Spannungswerte U1 und U2 werden im Ana
log-Digital-Wandler 19 digitalisiert und im Computer 20, 21
entsprechend berechnet, gespeichert und ausgewertet. Durch
Bildung des Differenzenquotienten
The broadband light coming from the ELED 3 is fed by means of the melting coupler 5 to the Bragg grating 6 of the Bragg grating sensor. This transmits signals depending on the wavelength, a narrow-band optical signal is reflected back via the coupler 5 and passed to the GRIN lens coupler 8 . Here the power spectrum of the reflected light is divided into different power parts for transmission and reflection according to the specified filter characteristics. The narrow-band optical signal is evaluated at the same time by frequency-amplitude conversion. The two signals of different valence thus obtained are each fed via the outputs 13 and 14 of the GRIN lens coupler 8 to a photodiode 15 or 16 and an amplifier 17 or 18 and further processed into analog voltage values U1 and U2. These voltage values U1 and U2 are digitized in the analog-digital converter 19 and calculated, stored and evaluated accordingly in the computer 20 , 21 . By forming the difference quotient
erhält man einen dämpfungsunabhängigen Meßwert. Zur Berechnung der Wellenlänge wird ein Polynom n-ter Ordnung verwendet, welches zuvor durch die Aufnahme einer Eichkurve ermittelt wurde. Die Umrechnung in die gemessene physikalische Größe erfolgt unter Berücksichtigung der konkreten Faser-Bragg-Git ter-Parameter.you get a damping-independent measurement. For calculating a wavelength of the nth order is used, which was previously determined by recording a calibration curve has been. The conversion into the measured physical quantity takes into account the specific fiber Bragg-Git ter parameters.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung. Figs. 2 to 5 show further possible embodiments of the arrangement according to the invention.
Nach Fig. 2 kann das breitbandige Licht der ELED 3 wenigstens an zwei über den Koppler 5 und einem optischen Schalter 22 verbundene Faser-Bragg-Gitter 6 und 23, die in optischen Sen soren angeordnet sind, die auch zur Messung unterschiedlicher physikalischer Größen ausgebildet sein können, weitergeleitet werden. Dabei verbindet der Schalter 22 wahlweise oder nach einem voreinstellbaren Programmablauf die einzelnen Faser- Bragg-Gitter 6, 23 mit der breitbandigen Lichtquelle 3. Der übrige Anordnungsaufbau ist der gleiche, wie anhand der Fig. 1 bereits erläutert.According to FIG. 2, the broadband light of the ELED 3 can be connected to at least two fiber Bragg gratings 6 and 23 connected via the coupler 5 and an optical switch 22 , which are arranged in optical sensors, which are also designed to measure different physical quantities can be forwarded. The switch 22 connects the individual fiber Bragg gratings 6 , 23 with the broadband light source 3 either selectively or according to a presettable program sequence. The rest of the arrangement structure is the same as already explained with reference to FIG. 1.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des GRIN-Linsen- Kopplers gezeigt. Danach weist dieser GRIN-Linsen-Koppler 24 zwei Eingänge 12, 25 und ebenfalls zwei Ausgänge 13, 14 auf, wobei die Anzahl Ein- und Ausgänge auch noch weiter variierbar ist. Das durch den Eingang 12 auf die Filterschicht 11 auf treffende Licht wird entsprechend der vorgegebenen Filter charakteristik entweder zum Ausgang 14 weitergeleitet oder zu Ausgang 13 rückreflektiert. Trifft das optische Signal durch Eingang 25 auf die Filterschicht 11 auf, dann erfolgt die Aufteilung der Signale durch Ausgang 13 (Transmission) und Ausgang 14 für das reflektierte Signal. Mit der Aufteilung erfolgt die Frequenz-Ampliduten-Wandlung des optischen Si gnals.In Fig. 3, another embodiment of the GRIN-lens coupler is shown. Thereafter, this GRIN lens coupler 24 has two inputs 12 , 25 and also two outputs 13 , 14 , the number of inputs and outputs being variable even further. The light striking through the input 12 on the filter layer 11 is either forwarded to the output 14 according to the predetermined filter characteristic or reflected back to the output 13 . If the optical signal strikes the filter layer 11 through input 25 , then the signals are divided by output 13 (transmission) and output 14 for the reflected signal. With the division, the frequency-to-amplitude conversion of the optical signal takes place.
Mit diesem GRIN-Linsen-Koppler 24 ist es möglich, wie in Fig. 4 dargestellt, auf den optischen Schalter 22 zu verzichten, der im gesamten Anordnungsaufbau je nach Häufigkeit der auszu führenden Schaltvorgänge ein relativ störanfälliges Bauteil darstellen kann. Nach Fig. 4 ist jedes Faser-Bragg-Gitter 6, 23 über jeweils einen 3 dB-Schmelzkoppler 5, 26 mit je einer ELED 3, 27 verbunden, die parallel geschaltet sind und im Zeitmultiplex arbeiten. Dadurch wird erreicht, daß die Aus wertung der schmalbandigen Signale der Faser-Bragg-Gitter 6, 23 stets nach einer vorgegebenen Reihenfolge erfolgt. Mit einer Auswerteeinheit können demnach die Signale mehrerer Faser-Bragg-Gitter 6, 23 ausgewertet werden, was insbesondere aus ökonomischer Sicht von Vorteil ist.With this GRIN lens coupler 24 , it is possible, as shown in FIG. 4, to dispense with the optical switch 22 which, depending on the frequency of the switching operations to be carried out, can represent a relatively fault-prone component in the overall arrangement structure. According to FIG. 4, each fiber Bragg grating 6, 23 via a respective 3 dB fused coupler 5, 26 is connected to a respective ELED 3, 27, which are connected in parallel and operate in time multiplex. This ensures that the evaluation of the narrow-band signals from the fiber Bragg grating 6 , 23 always takes place in a predetermined order. The signals of a plurality of fiber Bragg gratings 6 , 23 can accordingly be evaluated with an evaluation unit, which is particularly advantageous from an economic point of view.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Hiernach ist der GRIN-Linsen- Koppler 8, der nur einen Eingang aufweist, in die Anordnung nach Fig. 4 eingesetzt. Bei dieser Ausführung wird zusätzlich ein 3 dB Schmelzkoppler 28 notwendig, der zwischen den mit den Faser-Bragg-Gittern 6 und 23 verbundenen Kopplern 5 und 26 und dem GRIN-Linsen-Koppler 8 angeordnet ist und der die optischen Signale der einzelnen Faser-Bragg-Gitter 6, 23 dem einen Ein gang 12 des GRIN-Linsen-Kopplers 8 zur weiteren Verarbeitung zuleitet. Im weiteren ist diese Anordnung ebenfalls so ausge bildet wie zu Fig. 1 bereits erläutert. Another advantageous embodiment of the arrangement according to the invention is shown in FIG. 5. The GRIN lens coupler 8 , which has only one input, is then inserted into the arrangement according to FIG. 4. In this embodiment, a 3 dB fuse coupler 28 is additionally required, which is arranged between the couplers 5 and 26 connected to the fiber Bragg gratings 6 and 23 and the GRIN lens coupler 8 and which carries the optical signals of the individual fiber Bragg Grid 6 , 23 which feeds an input 12 of the GRIN lens coupler 8 for further processing. Furthermore, this arrangement is also formed as already explained for FIG. 1.
11
Faser-Bragg-Gitter-Anordnung
Fiber Bragg grid arrangement
22nd
Auswerteeinheit
Evaluation unit
33rd
breitbandige Lichtquelle, ELED
broadband light source, ELED
44th
Lichtwellenleiter
optical fiber
55
optischer Koppler
optical coupler
66
Faser-Bragg-Gitter
Fiber Bragg grating
77
Lichtwellenleiter
optical fiber
88th
GRIN-Linsen-Koppler
GRIN lens coupler
99
GRIN-Linse
GRIN lens
1010th
GRIN-Linse
GRIN lens
1111
Filterschicht
Filter layer
1212th
Eingang
entrance
1313
Ausgang
output
1414
Ausgang
output
1515
Photodiode
Photodiode
1616
Photodiode
Photodiode
1717th
Verstärker
amplifier
1818th
Verstärker
amplifier
1919th
Analog-Digital-Wandler
Analog-to-digital converter
2020th
Mikrocontroller
Microcontroller
2121
Computer
computer
2222
optischer Schalter
optical switch
2323
Faser-Bragg-Gitter
Fiber Bragg grating
2424th
GRIN-Linsen-Koppler
GRIN lens coupler
2525th
Eingang
entrance
2626
optischer Koppler
optical coupler
2727
breitbandige Lichtquelle, ELED
broadband light source, ELED
2828
optischer Koppler
D Differenzenquotient
U1 Spannungswert
U2 Spannungswert
optical coupler
D difference quotient
U1 voltage value
U2 voltage value
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999113800 DE19913800C2 (en) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | Arrangement for evaluating narrow-band optical signals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999113800 DE19913800C2 (en) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | Arrangement for evaluating narrow-band optical signals |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19913800A1 true DE19913800A1 (en) | 2000-10-19 |
| DE19913800C2 DE19913800C2 (en) | 2002-02-28 |
Family
ID=7902543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1999113800 Expired - Fee Related DE19913800C2 (en) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | Arrangement for evaluating narrow-band optical signals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19913800C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10061147A1 (en) * | 2000-11-30 | 2002-06-13 | Univ Dresden Tech | Arrangement for determining reflection wavelength of fibre Bragg gratings spaced at equal distances apart, splits and processes reflected light signals converted to electric signals to determine wavelengths |
| WO2002090893A1 (en) * | 2001-05-09 | 2002-11-14 | The European Community | Sensor system and method incorporating fibre bragg gratings |
| EP1422494A1 (en) * | 2002-11-25 | 2004-05-26 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology | Rapid fiber Bragg grating ( FBG ) strain sensor with reflecting/transmitting filter for acoustic emission detection |
| US7162111B2 (en) | 2001-06-27 | 2007-01-09 | Daimlerchrysler Ag | Optical seat occupation sensor network |
| DE102006059439A1 (en) * | 2006-12-15 | 2008-06-19 | Prüftechnik Dieter Busch AG | Method and device for dynamically measuring the axial deformation of a rotating hollow shaft |
| DE102010055991B4 (en) * | 2010-12-23 | 2015-06-03 | Hochschule Offenburg | Micrometer for determining multiaxial screw loads |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10242205B4 (en) * | 2002-09-10 | 2018-02-08 | Lios Technology Gmbh | Method and device for spatially extended detection of operating states |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4842403A (en) * | 1986-06-19 | 1989-06-27 | Pirelli General Plc | Sensing strain and temperature |
| US4932742A (en) * | 1989-01-27 | 1990-06-12 | Alcatel Na, Inc. | Fiber optic wavelength division multiplexing module |
| US5137351A (en) * | 1991-07-24 | 1992-08-11 | So Vincent C Y | Optical time domain reflectometer for selective testing of optical fibers with different core diameters |
| US5319435A (en) * | 1991-09-04 | 1994-06-07 | Melle Serge M | Method and apparatus for measuring the wavelength of spectrally narrow optical signals |
-
1999
- 1999-03-26 DE DE1999113800 patent/DE19913800C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4842403A (en) * | 1986-06-19 | 1989-06-27 | Pirelli General Plc | Sensing strain and temperature |
| US4932742A (en) * | 1989-01-27 | 1990-06-12 | Alcatel Na, Inc. | Fiber optic wavelength division multiplexing module |
| US5137351A (en) * | 1991-07-24 | 1992-08-11 | So Vincent C Y | Optical time domain reflectometer for selective testing of optical fibers with different core diameters |
| US5319435A (en) * | 1991-09-04 | 1994-06-07 | Melle Serge M | Method and apparatus for measuring the wavelength of spectrally narrow optical signals |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Elektronik, 12/18. Juni 1992, S. 80-86 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10061147A1 (en) * | 2000-11-30 | 2002-06-13 | Univ Dresden Tech | Arrangement for determining reflection wavelength of fibre Bragg gratings spaced at equal distances apart, splits and processes reflected light signals converted to electric signals to determine wavelengths |
| DE10061147C2 (en) * | 2000-11-30 | 2002-10-24 | Univ Dresden Tech | Arrangement for determining the reflection wavelength of fiber Bragg gratings |
| WO2002090893A1 (en) * | 2001-05-09 | 2002-11-14 | The European Community | Sensor system and method incorporating fibre bragg gratings |
| US7162111B2 (en) | 2001-06-27 | 2007-01-09 | Daimlerchrysler Ag | Optical seat occupation sensor network |
| EP1422494A1 (en) * | 2002-11-25 | 2004-05-26 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology | Rapid fiber Bragg grating ( FBG ) strain sensor with reflecting/transmitting filter for acoustic emission detection |
| US7002672B2 (en) | 2002-11-25 | 2006-02-21 | National Institute Of Advanced Science And Technology | Optical fiber strain sensor device and strain detection method |
| DE102006059439A1 (en) * | 2006-12-15 | 2008-06-19 | Prüftechnik Dieter Busch AG | Method and device for dynamically measuring the axial deformation of a rotating hollow shaft |
| US7634948B2 (en) | 2006-12-15 | 2009-12-22 | Prueftechnik Dieter Busch Ag | Process and device for dynamic measurement of the axial deformation of a rotating hollow shaft |
| DE102006059439B4 (en) * | 2006-12-15 | 2018-01-25 | Prüftechnik Dieter Busch AG | Method and device for dynamically measuring the axial deformation of a rotating hollow shaft |
| DE102010055991B4 (en) * | 2010-12-23 | 2015-06-03 | Hochschule Offenburg | Micrometer for determining multiaxial screw loads |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19913800C2 (en) | 2002-02-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1379857B1 (en) | Interferometric arrangement for determining the transit time of light in a sample | |
| DE19754910C2 (en) | Wavelength detection on fiber Bragg grating sensors | |
| DE4019980B4 (en) | Device for measuring the temperature in the longitudinal direction of a light guide sensor | |
| EP2059765B1 (en) | Optical device for monitoring a rotatable shaft with an orientated axis | |
| EP1809964B1 (en) | Drying balance | |
| EP0174496B1 (en) | Procedure for measuring the radiation wavelength and the wavelength-corrected radiation power of monochromatical light-sources and arrangement for carrying out this procedure | |
| DE102015103139B3 (en) | Distributed optical measuring devices and methods for performing a measurement | |
| DE112021000002T5 (en) | SENSING DEVICE AND METHOD FOR AN IMPROVED HYDROPHONE BASED ON CHIRP LOW BEND-LOSS GRATITING ARRAY FIBER | |
| DE60034600T2 (en) | HIGH-RESOLUTION WAVELENGTH MONITORING DEVICE FOR TUNABLE LASER SYSTEMS | |
| DE19913800C2 (en) | Arrangement for evaluating narrow-band optical signals | |
| DE3145795A1 (en) | "FIBER OPTICAL MEASURING DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL SIZES" | |
| EP1085291A2 (en) | Device for determination of positions and faults in guidance | |
| EP1448962B1 (en) | Method and device for analysis and monitoring of the light intensity distribution over the cross-section of a laser beam | |
| EP0360346B1 (en) | Process and device for optical force measurement | |
| DE102011008273A1 (en) | Sensor for detecting relative movements between objects | |
| EP0292653B1 (en) | Fibre-optical position sensor | |
| WO2009149971A1 (en) | Bearing shell for a plain bearing, and device and method for the spatially resolved determination of the temperature of a bearing shell in a plain bearing | |
| DE112014006216B4 (en) | Magnetostrictive sensor for distance or position measurement | |
| DE4034237C2 (en) | ||
| DE10061147C2 (en) | Arrangement for determining the reflection wavelength of fiber Bragg gratings | |
| DE102017131446B3 (en) | Device for fiber optic measurement, method for calibration and method for fiber optic measurement | |
| DE102006002500B4 (en) | Optical spectrometer | |
| EP4012366B1 (en) | Device and method for digitizing an optical signal and for locally resolved measurement of temperature and elongation by means of brillouin scattering | |
| WO2011029884A1 (en) | Device for reading out a spectrally selective optical measuring sensor, and measuring device | |
| EP1137912B1 (en) | Measuring device for controlling and evaluating fiber grating networks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: PEUPELMANN, JENS, DR.-ING., 09633 HALSBRUECKE, DE |
|
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |