DE3019030A1

DE3019030A1 - Optisches messgeraet zur messung magnetischer und elektrischer felder

Info

Publication number: DE3019030A1
Application number: DE19803019030
Authority: DE
Inventors: Torgny Brogaardh; Olof Engstroem
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1980-05-19
Publication date: 1980-12-18
Also published as: SE7904752L; SE417137B; GB2052053A; JPS55162027A; FR2458080A1; US4356448A

Description

ASEA AB, Västeras/Schweden

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Optisches Meßgerät zur Messung magnetischer und elektrischer

Felder

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßgerät zur Messung magnetischer und elektrischer Felder gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Wirkungsweise eines solchen Gerätes beruht auf Spektralanalyse.

Es ist bekannt, optische Meßgerät zur Messung elektrischer Größen zu verwenden, wobei man die zu messende Größe dazu verwendet, ein mechanisches System im Raum zu verschieben, dessen Lage auf optischem Wege mit Hilfe von Licht in optischen Fasern abgetastet wird. Ein Schirm oder dergleichen ist auf dem mechanischen System angebracht und bewirkt eine Abschirmung eines auf den Schirm gerichteten Lichtstrahls. Der abgeschirmte Teil des Lichtstrahls ist von der Lage des mechanischen Systems abhängig. Eine Abtastung und Auswertung des abgeschirmten Teils des Lichtstrahls wird zur Auswertung der Größe benutzt, welche die Bewegung des Schirms verursacht.

Die geometrisch-optische Konstruktion eines solchen Meßgerätes

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hat u.a. den Nachteil einer niedrigen oberen Grenzfrequenz, einer Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und einer Hysterese aufgrund von Reibung im mechanischen System.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Meßgerät zur Messung magnetischer und elektrischer Felder zu entwickeln, welches von den obengenannten Nachteilen frei ist.

Zur Lösung dieser Aufgäbe wird ein optisches Meßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungs- ;gemäß.die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteren-Sprüchen genannt*:

Bei dem Meßgerät gemäß der Erfindung bildet die Verschiebung des Absorptionsspektrums im Verhältnis zum Lichtspektrum des benutzten Lichtes ein Maß für die zu messende Größe. Der Geber nach der Erfindung ist von großem Wert zur Messung von Strömen und Spannungen sowie für einfachere Niveauwächter, Grenzlagengeber und Drehzahlgeber.

Anhand der Figuren sollen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Meßgerät gemäß der Erfindung für dynamische Messungen,

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Fig. 2 die Arbeitsweise des Modulators, Fig. 3-5 die Arbeitsweise dotierter Modulatoren, Fig. 6 ein Meßgerät gemäß der Erfindung, das sowohl für

statische wie auch dynamische Messungen geeignet ist, Fig. 7 die Arbeitsweise des Meßgerätes gemäß Fig. 6, Fig. 8 und 9 Geber mit Anordnungen zur Vergrößerung der Feldstärke,

Fig. 9a ein mit einem pn-übergang arbeitenden Geber, Fig. 10a und 10b einen temperaturkompensierten Geber, Fig. 11 die Arbeitsweise des temperaturkompensierten Gebers nach Fig. 10a und 10b,

Fig. 12a und 12b einen anderen temperaturkompensierten Geber, Fig. 15 die Arbeitsweise des temperaturkompensierten Gebers nach Fig. 12a und 12b,

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform eines' temperaturkompensierten Gebers,
Fig. 15 die Arbeitsweise des Meßgerätes bei Verwendung einer Lichtquelle mit breitem Spektrum und Verwendung eines

optischen Filters,
Fig. 16 eine Ausführungsform eines temperaturkompensierten

Gebers mit matching-stabilisierter Faseroptik, Fig. 17 die Verwendung eines Gebers als Lagedetektor.

Das Grundprinzip der beschriebenen Geber besteht darin, daß sie einen oder mehrere optische Modulatoren enthalten, die von elektrischen und/oder magnetischen Feldern beeinflußt werden. Die optische Modulation wird dadurch erreicht, daß das vorhandene Feld

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die Energieniveaus der Elektroden im Modulator beeinflußt, wodurch das Absorptionsspektrum verändert wird. In erster Linie werden Modulatoren aus Halbleitermaterial verwendet, da deren Bandabstand mit der Spektralverteilung des Lichtes von Lichtquellen übereinstimmt, die beim heutigen Stand der Technik in diesem Zusamine-ihang die beste Wirkung ergeben, nämlich Leucht- -dioden und Halbleiterlaser. Hinsichtlich der magnetischen Felder erhält man eine Beeinflussung des Absorptionsspektrums vor allem durch die sog. Landau-Niveaus, was eine Modulation der Elektronerizustandsdichte bedeutet, wodurch man neue Energieniveaus erhält. Für elektrische Felder wird vor allem der Franz-Keldysh-"■■ Effekt ausgenutzt, wodurch die Wellenfunktionen für sowohl Löcher 'als auch Elektronen in einem in einem elektrischen Feld befindlichen Halbleiter eine physikalische oder mathematische Lösung im Bandabstand erhalten, wodurch dieser kleiner wird. Dadurch wird die Absorptionskante in Richtung niedrigerer Energien verschoben, wenn ein elektrisches Feld auf den Kristall wirkt. Um eine gute Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern zu bekommen, ist die Resistivitat des Modulators so hoch wie möglich zu wählen, weshalb geeignete Materialien GaAs und GaP sind. In den folgenden Figurenbeschreibungen werden elektrische Felder vorausgesetzt, doch können die beschriebenen Prinzipien auch bei magnetischen Feldern verwendet werden.

Figur 1 zeigt einen faseroptischen Geber, in welchem die Lichtabsorption eines Modulators 5 mit Hilfe einer lichtleitenden, d.h. optischen Faser 4 angezeigt wird. Licht einer als Leucht-

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diode ausgebildeten Lichtquelle 1 wird über eine optische Faser 2, eine Faserverzweigung 3 und die optische Faser 4 zu dem optischen Modulator 5 gesandt. Hinter dem Modulator befindet sich eine spiegelnde Fläche 6. Dasjenige Licht, welches den Modulator 5 passiert, an der Fläche 6 reflektiert wird, den Modulator 5 erneut passiert und in die Faser 4 zurückgeleitet wird, gelangt zu der Faserverzweigung 3» wo ein Teil des reflektierten Lichtes in eine optische Faser geleitet wird. Das elektrische Feld, dargestellt durch den Feldvektor F, beeinflußt die Absorption des Modulatormaterials 5, wodurch die Lichttransmission im Modulator 5 um denselben herum in Abhängigkeit der Feldstärke geeicht werden kann. Das Licht in der Faser 7 wird von einem Fotodetektor 8 gemessen, dessen Fotostrom in einem Verstärker 14 verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers passiert ein Tiefpaßfilter 15, und das Ausgangssignal des Filters wird in einem Summierungsglied 16 mit einem Sollwertsignal V_ref verglichen. Das dabei auftretende Fehlersignal (Differenzsignal) steuert einen Regler.17, der wiederum das Speiseglied 18 der Leuchtdiode 1 derart steuert, daß das Ausgangssignal des Filters 15 dem BezugswertV ~ gleich gemacht wird. Hierdurch werden Instabilitäten der Leuchtdiode, der Fasern und der Fotodiode durch die Elektronik kompensiert. Das Ausgangssignal des Verstärkers 14 wird auch einem Hochpaßfilter 19 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Anzeigegerät 20 zugeführt wird, welches das Meßsignal des Meßgerätes abgibt. Dadurch, daß das Meßsystem mit Hilfe niederfrequenter Signale stabilisiert wird, ist das Meßgerät ungeeignet zum Messen von Feld-Variationen mit sehr niedrigen Frequenzen.

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Die Funktion des feldempfindlichen optischen Modulators soll anhand der Figur 2erklärt werden, die einerseits das Transmissionsspektrum 21 des Modulators in einem Feld F1 und andererseits dasselbe TransmissionsSpektrum22 des Modulators in einem anderen Feld F2 zeigt, sowie das Lichtspektrum (Spektralverteilungskurve) 23 der Lichtquelle 1.

Der Modulator 5 ist im gezeigten Fall ein Halbleiter mit einem Ii · V ^ entsprechenden Bandabstand, wobei h die Plancksche Konstante und V die Frequenz des verwendeten Lichtes ist. Wenn das auf den Modulator einwirkende Feld vom Wert F1 auf den Wert F2 steigt, wird der Bandabstand kleiner, was zur Folge hat, daß die Transmissiönskante nach links in der Figur und der Schnittpunkt mit der Spektralverteilüngskurve 23 der Lichtquelle von h» ¹^ . nach h · V ρ verschoben wird. Dies bedeutet, daß der Modulator 5 eine niedrigere Lichtintensität transmittlert. Es ist zu beachten, daß die Lichtquelle temperaturstabilisiert werden muß, damit man eine gute Stabilität erhält.

Durch eine Dotierung des Halbieitermaterials im Modulator 5 derart, daß im Bandabstand ein Störniveau entsteht, erhält man ein Plateau im Transmissionsspektrum zwischen h · v> und h · V ^, wodurch der Geber eine Zone mit niedrigerer Empfindlichkeit bekommt./Figur 3 zeigt dies für den Fall, daß das Feld von F1 auf F2 ansteigt, wobei die Schnittpunkte zwischen dem Lichtspektrum 23 der Lichtquelle und den Transmissionsspektren des Modulators bei dem Wert h ·V₀ zusammenfallen. Diese Möglichkeit, den Halbleiter zu dotieren, kann genutzt werden zur Schaffung eines

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Gebers mit einem großen Linearitätsbereich, was schematisch in Figur 4 gezeigt ist. Durch Dotierung des Modulators mit mehreren Verunreinigungen, die verschiedenen Störniveaus im Bandabstand entsprechen, und durch Steuerung der Dotierungskonzentrationen kann man einen linearen Zusammenhang zwischen der Meßgröße und dem Licht bekommen, das von dem optischen Modulator transmittiert wird. Die wellige Kurvenform des Transmissionsspektrums nach

kann
Figur 4/aufgrund der Ausbreitung des Störniveaus bereits bei einigen wenigen Störniveaus zu einer geraden Linie ausgeglichen werden, wie es übertrieben in Figur 5 dargestellt ist. Wenn dabei eine schmalbandige Lichtquelle verwendet wird, kann man einen linearen Zusammenhang zwischen der Verschiebung der Absorptionskante und der Intensität des Lichtes bekommen, das den Modulator passiert.

Für die Messung von langsam veränderlichen Verlaufen ist die Stabilisierungsmethode nach Figur 1 nicht anwendbar. Figur 6 zeigt ein für solche Messungen geeignetes Meßgerät. Zwei Oszillatoren 49, 51, die mit verschiedenen Frequenzen f₁ bzw. f,, arbeiten, steuern über zwei Speiseglieder 50 bzw. 52 ihre jeweilige Leuchtdiode 25 bzw. 26, die durch die ihnen zugeordneten Fasern 27 bzw. 28 Licht mit verschiedenen Wellenlängen A ^ bzw.λ ~ aussenden. Hinter einer Verzweigung 29, welche die Fasern 27 und 28 zu einer gemeinsamen Faser 30 verbindet, erhält man in der Faser zwei Lichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen und verschiedenen Modulationsfrequenzen. Diese Lichtkomponenten werden über eine Verzweigung 31 und eine Faser 32 zu einem feldempfindlichen Modulator 33 geleitet und von einer spiegelnden Fläche 34

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in die Faser 32 zurückreflektiert. Das Licht, das dabei in die "FaSe₁T.. 32 eindringt, Wird zur Verzweigung 31 zurückgeleitet, von wo ein Teil dieses Lichtes über eine Faser 38 zu einem Fotodetektor 39geleitet wird, dessen Fotostrom von einem Verstärker 40 verstärkt wird* Das Ausgangssignal des Verstärkers wird von zwei Bandpäßfiltern 41, 45 in die den Leuchtdioden 25 und 26 entsprechenden Komponenten zerlegt. Diese Komponenten mit den Modulätionsfrequenzen f1 bzw. f2 werden von den Gleichrichtern 42 bzw.; 46 und.den Tiefpaßfiltern 43 bzw. 47 demoduliert. Die dabei gewonnenen Signale werden einem Divisionsglied 44 zugeführt, das den Quotienten der beiden Eingangssignale, also der von den Lichtquellen 25 bzw. 26 herrührenden Signale bildet. Der Wert dieses Quotienten wird nicht von Instabilitäten der Faseroptik beeinflußt, und er ist proportional der Transmission durch den optischen Modulator hinsichtlich des Lichtes von der Lichtquelle 25 und; stellt den Meßwert des Meßgerätes dar, der dem Anzeigegerät 48 zugeführt wird, das beispielsweise ein registrierendes Gerät sein kann. Weiter unten wird auf die in dem gestrichelten Rechteck 53 in Fig. 6 gezeigte Elektronik und die Faseroptik noch weiter eingegangen.

In Figur 6 ist auch ein optisches Filter 35 dargestellt, das so beschaffen ist, daß es das Meßsignal Λ ^ durchläßt und das Sollwertsignal A₂ reflek-tier-fc. Dieses Filter ist nicht zwingend erforderlich> bewirkt Jedoch eine bessere Trennung des Lichtes des Meßsignals und des Bezugssignals.

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Die Funktion des Lichtmodulators 33 geht aus Figur 7 hervor, in welcher das Transmissionsspektrum des Modulators im Feld F1 mit

55 und das entsprechende Spektrum in dem stärkeren Feld F2 mit

56 bezeichnet ist. Auf gleiche Weise, wie es anhand von Fig. 2 beschrieben wurde, wird der Schnittpunkt zwischen der Spektralkurve 57 der Lichtquelle 25 und der Transmissionskurve des Modulators bei einer Veränderung des einwirkenden Feldes verschoben. Dies hat zur Folge, daß das Licht von der Lichtquelle 25 mit der Wellenlänge Λ ^ und der Energie h · V . von dem vorhandenen Feld moduliert wird.

Damit man ein Bezugssignal erhält, wird die Lichtenergie h · V ρ der Lichtquelle 26 so gewählt, daß eine Spektralverteilung entsprechend der Kurve 58 zustandekommt, welche innerhalb des herrschenden Feldstärkebereiches vollständig links von der Transmissionskante 55 des Modulators liegt. Dies hat zur Folge, daß die von der Lichtquelle 26 erzeugte Lichtkomponente praktisch ausschließlich durch variierende Transmissionsverhältnisse in der Faseroptik und nicht durch variierende Transmission im Geber als Folge des Meßsignals beeinflußt wird. Bei Verwendung des Filters 35 wird diese Trennung erleichtert.

In dem in Figur 6 gezeigten Meßgerät erfolgt die Aufteilung in Lichtwellenlängen durch Modulationsfrequenzmultiplexierung von zwei Lichtquellen 25 und 26, wobei die beiden Lichtkomponenten durch elektrische Filter 41 und 45 demultiplexiert werden. Statt einer Frequenzmultiplexierung kann eine Zeitmultiplexierung durchgeführt werden, wobei die Lichtquellen 25 und 26 abwechselnd

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Speisestrom erhalten. Ferner besteht die Möglichkeit, zwei Detektoren zu verwenden, von denen jeder mit einem optischen Filter zumoptischen Ausfiltern je einer der beiden Lichtkomponenten versehen ist.

Anstelle von zwei verschiedenen Lichtquellen kann ein einziger Halbleiterlaser verwendet werden, der entweder wellenlängenmoduliert oder abwechselnd als Leuchtdiode und Laser benutzt wird.

Zur Stabilisierung der Lichtquellen ist sowohl eine optische wie thermische Regelung erforderlich. Die optische Rückführung erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß ein Teil des Lichtes hinter der Verzweigung 31 einem Fotodetektor zugeführt wird, dessen Ausgangssignal nach der Verstärkung mit einem Bezugswert verglichen wird und über einen Regler die Lichtquelle steuert. Eine weitere Rückführung kann in das Meßgerät eingeführt werden, wenn das Divisionsglied 44 fortfällt und das Ausgangssignal vom Filter 47, das ein Bezugssignal vom Geber ist, nach dem Vergleich mit einem Bezugswert einem Regler zur Steuerung der Lichtquellen in Tandem oder des Detektorverstärkers zugeführt wird. Wenn mehrere Lichtdetektoren zu dein Meßgerät gehören, kann ein weiteres Regelglied zur elektronischen Matchingstabilisierung (Übereinstimmungskornpensation) erforderlich werden.

Die Figuren 8 und 9 zeigen Maßnahmen zur Konzentration eines magnetischen (Figur 8) beziehungsweise eines elektrischen Feldes (Figur 9) auf den optischen Modulator 34. Im Falle eines Magnetfeldes wird dieses: durch Joche 90 und 91, die aus ferromagneti-

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schem Material bestehen, gebündelt, und im Falle eines elektrischen Feldes wird eine entsprechende Konzentration durch eine elektrisch leitende Spitze 92 vorgenommen. Die Faser 32 ist entweder an die Optoelektronik oder die Elektronik gemäß Figur 1 oder gemäß Figur 6 angeschlossen, was davon abhängt, wie schnell sich das zu messende Feld verändert.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der elektrischen Feldstärke besteht in der Benutzung des Verarmungsbereiches eines pn-Übergangs als Modulator gemäß Figur 9a. Das elektrische Feld wird von der Spannung U erzeugt, die mit Hilfe der Elektroden 139 an einem pn-Halbleiterelement (Diode) liegt. Das Licht aus der Faser 4 wird in den Verarmungsbereich 33a geleitet, der wie ein Wellenleiter arbeitet, und wird von der spiegelnden Fläche 34 in die Faser 7 zurückreflektiert. Im Prinzip kann ein Halbleiterlaserelement direkt für diesen Modulatortyp verwendet werden.

Das Licht kann auch senkrecht in den pn-übergang über die Faser 143 in Fig. 9a eingeleitet werden. Dies setzt voraus, daß man eine durchsichtige Elektrode 139 oder ein Loch in der Elektrode 139 auf der η-leitenden Seite der Diode verwendet. Schließlich ist die p-leitende Schicht in diesem Fall so ausgeführt, daß sie zum größten Teil aus einem Raumladungsgebiet besteht. Die letztgenannte Bedingung kann durch eine geeignete Kombination von Dicke und Resistivität der p-leitenden Schicht erfüllt werden.

Ein Problem bei der Ausnutzung der Abhängigkeit des Bandabstandes des Materials von der Feldstärke besteht darin, daß der Bandab-

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'2Ω-8Ό7: P

;^^;..^:,v^v^:v.^^;;' ^¹⁷": 3Q1903Q stand auch temperaturabhängig ist. Wenn der Geber daher mit großer Genauigkeit in einem großen Temperaturbereich messen soll, ist eine Temperaturstabilisierung erforderlich. Die Figuren 10a und 10b, von denen Figur 10b ein Schnitt längs der Linie X - X in Figur 10a zeigt, zeigen einen Geber mit einem zusätzlichen Modulator 92·, der nicht von der Meßgröße beeinflußt wird. Entsprechend Figur 10b wird das Licht der Faser 32 in zwei Teile geteilt, iron denen der im Sinne von Fig. 10b rechte Teil durch ein Filter 90^f und den vom Feld F beeinflußten Modulator 33 hindurchgeht, während der linke Teil durch eine identische Anordnung mit einem Filter 91' und dem von der Meßgröße nicht beeinflußten Modulator 92' hindurchgeht. Nach der Reflexion an der spiegelnden Fläche 34 geht ein Teil der beiden Teile des Lichtes zurück durch die Modulatoren und Filter in die Faser 32. Die Funktion der Geberanordnung geht aus Figur 11 hervor, wo die Spektralverteilung des Lichtes aus der Faser 32 mit 93 bezeichnet ist, /und 94 und 95 die Transmissionsspektren der beiden Filter 90' und 91' bezeichnen. Das TransmissionsSpektrum für die Modulatoren 33 und 92» ist mit 96 bezeichnet und kann für beide Identisch sein. Bei einem Anstieg der Temperatur verschiebt sich die Transmissionskurve für die Modulatoren nach links gemäß den Pfeilen 97. Hierdurch kommt mehr Licht von dem Teil des Gebers, der mit dem Filter 90' (Kurve 94) versehen ist, in die Faser zurück, und weniger Licht kommt von dem Teil zurück, der mit dem Filter 91« (Kurve 95) versehen ist. Bei geeigneter Wahl von Filtern und Modulatoren ist es daher möglich, eine Temperaturkompensation zu erhalten. Statt einer breitbandigen Lichtquelle mit der '/erteilungskurve 93 können zwei schmalbandige Lichtquellen

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verwendet werden, welche die Verteilungskurven 94 bzw. 95 haben. Statt den einen Modulator als Kompensations-Modulator (dummy modulator) arbeiten zu lassen, kann dieser von der Meßgröße mit entgegengesetztem Vorzeichen beeinflußt werden, wodurch eine Verdoppelung der Empfindlichkeit eintritt. Der Geber nach Figur 6 (33) kann für die Elektronikeinheit 53 nicht direkt benutzt werden, da eine Quotientenbildung der Lichtsignale von den beiden Modulatoren keine Stabilisierung ergibt. Dagegen bewirkt eine elektronische Summierung die gewünschte Temperaturstabilisierung, wodurch das Divisionsglied 44 einfach durch ein Summierungsglied ersetzt wird.

Wenn zwei getrennte Lichtquellen verwendet werden, so wie es Fig. 6 zeigt, ist jedoch ein einfacheres Geberarrangement anwendbar, wie sie Figur 12 zeigt. Das Licht der Faser 32 passiert einen Kompensations-Modulator 98 (siehe Fig. 12a), der nicht von der Meßgröße beeinflußt wird, sowie den Modulator 33. Figur 13 zeigt die Arbeitsweise eines solchen Gebers, wobei 99 bzw. 100 das Transmissionsspektrum für den Meß- bzw. Kompensationsmodulator bezeichnet, während 102 bzw. 101 das Lichtspektrum für das Meßbzw. Bezugslicht bezeichnen. Bei einer Erhöhung der Gebertemperatur werden die Absorptionskanten der Kurven 99 und 100 im Sinne der Figur nach links verschoben, was zur Folge hat, daß die Intensität des vom Modulator beeinflußten Lichtes sowohl hinsichtlich des Lichtes von der der Kurve 102 entsprechenden Lichtquelle wie von der der Kurve 101 entsprechenden Lichtquelle abnimmt. Bei einer Quotienten- wie bei einer Differenzbildung der beiden in die Faser 32 zurückreflektierten Lichtkomponenten wird daher der

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Einfluß der Temperatur kompensiert. Somit kann auch in diesem Falle das Meßgerät gemäß Figur 6 verwendet werden, sofern die Wellenlängenbereiche der Lichtquellen 25 und 26 so gewählt werden, daß sie mit den Absorptionskanten der beiden Modulatoren in ider in Figur 13 gezeigten Weise zusammenfallen.

Figur 14 zeigt einen alternativen Geber mit Temperaturkompensation. Hierbei 1st der Geber in zwei Teilgeber aufgeteilt, wobei der Modulator 75 des einen Teilgebers vom Feld F beeinflußt wird und als Meßmodulätor dient und der Modulator 76 des anderen Teilgebers nicht vom Feld beeinflußt wird und als Kompensationsmodulator dient. Die Transmission durch die beiden Modulatoren wird durch zwei völlig gleiche Systeme gemessen, die aus den Lichtleitern 80 bzw. 81 und den Elektronikeinheiten 82 bzw. 83 bestehen. Den Elektronikeinheiten entspricht das gestrichelte Rechteck 53 iⁿ Figur 6 heim Messen von langsam veränderlichen Feldern. Licht wird zwischen der Einheit 82 und dem Modulator in die Faser 80 und zwischen der Einheit 83 und dem Modulator in die Faser 81 hineingeleitet. Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Elektronikeinheiten 82 und 83 wird in einem Summierungsglied 84 gebildet, dessen Ausgangssignal ein temperaturkompensiertes Meßsignal ist, das einem registrierenden Anzeigegerät 85 zugeführt werden kann. Im Gegensatz zu der in Figur gezeigten Kompensation können hier Modulatoren mit gleichem Bandabstand verwendet werden. Ein Temperaturanstieg bewirkt in beiden Modulatoren eine gleich starke Herabsetzung der Transmission. Das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 84 ist daher temperaturunabhängig. /."■_."

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Statt einen Kompensationsmodulator und einen Meßmodulator zu verwenden, können zwei Meßmodulatoren verwendet werden, was voraussetzt, daß die beiden Modulatoren mit verschiedenen Vorzeichen von der Meßgröße beeinflußt werden. Dadurch kann eine Verdoppelung der Empfindlichkeit erreicht werden.

Figur 15 zeigt die Arbeitsweise des Gebers für den Fall eines breiten Lichtspektrums 88 der Lichtquelle. Wenn die Lichtquelle konstante Intensität über einen Wellenlängenbereich hat, der größer als der Wellenlängenbereich ist, über den sich die Absorptionskante 86 des Modulators erstreckt, dann erhält man einen linearen Zusammenhang zwischen der Verschiebung der Absorptionskante und der Intensität des Lichtes, welches den Modulator passiert hat. Um auch einen linearen Zusammenhang zwischen der Meßgröße und der genannten Lichtintensität zu bekommen, kann eine zweckmäßig ausgewählte Lichtquelle, die eventuell mit einem Filter kombiniert wird, verwendet werden. In Figur 15 ist auch die charakteristische Kennlinie 82a für ein Filter eingetragen. Mit der gezeigten Transmissionskurve erhält man einen Geber mit derselben Funktion wie in Figur 2 gezeigt. Das Filter kann im Strahlengang an jedem beliebigen Platz zwischen der Lichtquelle und dem Fotodetektor im Meßgerät nach den Figuren 1 und 6 eingefügt werden. Um die in Figur 7 gezeigten Verhältnisse zu erhalten, können zwei Filter mit Transmissionsspektren entsprechend den Kurven 57 und 58 in Figur 7 verwendet werden. Insgesamt gibt es vier Möglichkeiten, die spektralen Eigenschaften des Meßgerätes zu beeinflussen, nämlich durch Wahl der Lichtquelle, der Filter im Strahlengang, des Modulators und des Fotodetektors. Q30051/067 2

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Anstelle der anhand der Figuren.T und 6 erläuterten Stabilisierungsmethoden für das Meßgerät kann auch eine faseroptische Brückenanordnung gemäß Fig. 16 verwendet werden. Dabei sind mindestens drei Filter zwischen der Meßelektronik und den beiden optisch als Brücke geschalteten Modulatoren erforderlich sowie ein Bezugs- und ein Meßmodulator, welche die vorhandene Meßgröße abtasten. Licht von der Lichtquelle 105 wird über die Faser 106 zur Verzweigung 107 geleitet, wo eine Aufteilung des Lichtes auf dieVerzweigungen 108 und 109 und die Fasern 110 und 111 stattfandet.,; welche das Licht zum Bezugsmodulator 112 bzw. zum Meßmodulator 114 leiten. Diese sind mit spiegelnden Flächen II3 bzw. 115 belegt, die das Licht zurück in die entsprechende Faser 110 und 111 reflektieren. Das reflektierte Licht wird über die Verzweigungen 108 bzw. 109 in die Fasern 119 bzw. 116 und zu den Detektoren 120 bzw. 117 geleitet. Zur Matchingstabilisierung vor allem der Fasern 110 und 111 und der Detektoren 120 und 117wird moduliertes Licht von der Lichtquelle über eine Faser 125 und einen Spiegel 126 in einem konstanten Verhältnis in die Fasern 110 und 111 gesandt. Die Modulationsfrequenz f1 wird vom Oszillator 122 bestimmt, der über das Speiseglied 123die Lichtquelle 124 steuert. Die Matchingstabilisierung erfolgt durch .Differenzbildung der Signale von den Detektorverstärkern 121 und 118 im Summierungsglied 131 und anschließender Demodulation des Differenzsignals hinsichtlich der Frequenz f1 im Glied 132 und Steuerung des Reglers 133 mit diesem demodulierten Differenzsignäl, so daß der regelbare Detektorverstärker so eingestellt wird, daß sich die Große der f1-Komponente am Ausgang des Verstärkers 121 von der am Ausgang des Verstärkers 110

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unterscheidet. Die übrige Meßgerätstabilisierung wie auch die Kompensation für die Temperaturunterschiede des Meßmodulators erhält man durch Rückführung über den Bezugsmodulator zur Lichtquelle 105. Dabei wird die f1-Komponente im Ausgangssignal des Detektorverstärkers 121 vom Tiefpaßfilter 127 herausgefiltert, und die Ausgangsgröße des Tiefpaßtfilters 127 im Summierungsglied 128 mit der Bezugsspannung V"* verglichen. Das dabei erhaltene Differenzsignal wird als Fehlersignal dem Regler 129 zugeführt, der die Lichtquelle 105 über das Speiseglied 130 derart steuert, daß das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 127 auf den Wert der Bezugs spannung V_ref gebracht- wird. Das Meßsignal erhält man nach Tiefpaßfilterung des Detektorsignals von der Meßgröße im Glied 134 und das gefiltere Signal wird dem Anzeigegerät 135 zugeführt.

Statt den Spiegel 126 zur Rückführung von Licht aus der Faser 125 in die Fasern 110 und 111 zu verwenden, kann die Anordnung nach Figur 16a mit einer separaten Kupplung 138 verwendet werden. Dabei können die Modulatoren ganz die Endflächen der Fasern und 137 bedecken, und es werden keine Einschränkungen hinsichtlich des Abstandes zwischen dem Bezugsmodulator und dem Meßmodulator erforderlich. Allerdings erhält man keine MatchingstabiIisierung der Faserabschnitte I36 und 137.

Wenn die Meßgröße die beiden Modulatoren mit unterschiedlichen Vorzeichen beeinflußt und kein Bezugssignal verwendet wird, erhält man ein Meßsignal von doppelter Empfindlichkeit, da daä Meßsignal aus der Differenz der Detektorsignale gewonnen wird. Das

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Stabilisierungssignal zur Steuerung des Reglers 129 wird dabei aus der Summe der Detektorsignale gebildet. Wenn dagegen die Meßgröße mit gleichem Vorzeichen auf die beiden Modulatoren wirkt, 4ann dient die Summe der Detektorsignale als Meßsignal und ihre Differenz als Stabilisierungssignal. Dabei erhält man jedoch keine Temperaturstabilisierung, wenn nicht die Temperaturempfindlichkeit der Detektoren entgegengesetzte Vorzeichen hat.

Statt das Stabilisierungssignal zur Steuerung der Lichtquelle über den Regler 129 zu benutzen, kann es auch die Detektorverstärkungen in Tandem steuern. Eine weitere Möglichkeit, das Meßsignal gegenüber Instabilitäten im, Meßgerät zu kompensieren, besteht in einer Quotientenbildung aus dem Meßsignal und dem Stabilisierungssignal. :

Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Verzweigungen 107, 108 und 109 entfäileB können, wenn das Licht von der Lichtquelle 115 einer separaten Faser bis zu den Modulatoren 112 und 114 geleitet wird.

Figur 17 zeigt schließlich die Verwendung eines faseroptischen Magnetfelddetektors 54a als Lagegeber. Der Dauermagnet 140 treibt einen magnetischen Fluß in einem Kreis, der aus den aus magnetischem Material bestehenden Teilen 141 und 142 und den vorhandenen Luftspalten gebildet wird. Je dichter sich der Magnet 140 und/ oder der Detektor J4a am Teil 142, welches das Meßobjekt bildet, befindet, desto kleiner wird der Luftspalt im magnetischen Kreis und desto größer das auf den Detektor 34a wirkende Magnetfeld. Der Lagegeber kann beispielsweise zur Anzeige einer Grenz,-

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lage oder zum Abtasten von Zahnrädern bei der Drehzahlmessung verwendet werden.

Die vorstehend beschriebene Erfindung kann im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.

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Claims

Patentansprüche: | naohqereioht[

ΛΙ Optisches Meßgerät zur Messung magnetischer und elektrischer Felder, mit einem Geber mit mindestens einem optischen Modulator, der aus einem Material besteht, dessen optischen Eigenschaften sich mit der Stärke der genannten Felder verändern, sowie mit Anordnungen zum Messen der genannten optischen Eigenschaf ten mit Hilfe von Licht, das in den Geber hinein- und aus diesem wieder herausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (G) so beschaffen ist, daß die genannten Felder Veränderungen an mindestens einer Absorptionskante des Lichtabsorptionsspektrums des genannten Materials verursachen.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport von Licht in den Geber (G) hinein und aus diesem heraus mit Hilfe optischer Fasern (3, 4, 7, 30-32) geschieht.
3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Modulator "(5) aus polymefem, polykristallinem, kristallinem oder amorphem Material besteht.
4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material ein Isolator oder ein Halbleiter ist.

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5. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Feldabhängigkeit von den sog. Landau-Niveaus in einem magnetischen Feld verursacht wird.
6. Meßgerät nach, einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Feldabhängigkeit von dem sog. Franz-Keldysh-Effekt in elektrischen Feldern verursacht wird.
7. Meßgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Bandabstand des genannten Materials eine Absorptionskante (21, 22) in demselben Wellenlängenbereich ergibt, in dem das zum Messen verwendete Licht liegt.
8. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Modulators (5) zur Erzielung einer gewünschten Form der Absorptionskante (21, 22) dotiert ist oder aus Pulver verschiedenen Materials mit unterschiedlichen Bandabständen und/oder Störungsniveaus zusammengesetzt ist.
9. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Anordnungen zum Messen der optischen Eigenschaften des Modulators (5) so beschaffen sind, daß sie die Lichtabsorption des Modulator-Materials für mindestens zwei verschiedene Wellenlängenbereiche (λ-j, X₂) messen, wobei ein Wellenlängenbereich wenigstens teilweise mit dem Wellenlängenbereich der Absorptionskante des Materials zusammenfällt.

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ORIGINAL INSPECTED

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j naqhcjersichtI 3 f) 1 Q fl 3 fl
10. Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungmit mindestens zwei Leuchtdioden (25, 26) oder Lasern mit verschiedenen Emissionsspektren oder mit mindestens einem wellenlängenmodulierten Laser oder mit mindestens einem Halbleiterlaser, der abwechselnd als Leuchtdiode und Laser arbeitet, erfolgt.
11.. Meßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit mindestens zwei Fotodioden und/oder Fototransistoren, die mit optischen Filtern (90, 91) versehen sind, erfolgt.
12. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät mindestens zwei Modulatoren enthalt, von denen mindestens einer von der zu messenden Größe beeinflußt wird, daß der Modulator unterschiedlich von Meßgröße und Temperatur beeinflußt wird und daß eine Kompensation des Temperatureinflusses auf die Modulatoren durch zweckmäßige Behandlung der Lichtsignale von den Modulatoren erfolgt.
15« Meßgerät nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Anordnungen (80, 82, 81, 83, 110, 111) zur Messung der Lichttransmission in jedem der Modulatoren bei mindestens einem Wellenlängenbereichsowie durch Anordnungen (84, 117 - 135) zur Bestimmung der Differenz, der Summe oder des Quotienten aus den gemessenen Transmissionswerten.
14. Meßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der genannten Kompensation Anordnungen zur Messung

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der Lichttransmission in jedem der Modulatoren bei mindestens einem Wellenlängenbereich sowie Anordnungen zur Regelung mindestens einer Lichtquelle und/oder mindestens eines Lichtdetektors mit dazugehöriger Elektronik vorhanden sind.
15. Meßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß frequenz- oder zeitmultiplexes Licht an den Modulatoren mit konstanten Verhältnissen dem von den Modulatoren beeinflußten Licht zugeführt und zusammen mit diesem Licht zu Lichtdetektoren, die zu dem Meßgerät gehören, geleitet wird und daß die Differenz zwischen den Detektorsignalen hinsichtlich des modulierten Lichtes benutzt wird, um das Matching zwischen den optischen Kanälen der betreffenden Modulatoren zu steuern.
16. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Messen verwendete Licht zwei Komponenten mit verschiedenem Lichtspektrum enthält, daß das Lichtspektrum der einen Komponente wenigstens zum Teil mit der Absorptionskante des Modulators zusammenfällt, der von der Meßgröße beeinflußt wird, und daß das Lichtspektrum der anderen Komponente in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem das Absorptionsspektrum des messenden Modulators weniger stark von der Meßgröße beeinflußt wird.
17. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (25, 26) temperaturstabilisiert sind.

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18.Meßgerätnach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem/den Modulator(en) Feldkonzentratorenbekannter Art vorgesehen sind, welche die auf das Material der Modulatoren wirkende Feldstärke erhöhen.
19. Meßgerät nach einem.der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Modulator(en) im Luftspalt eines -magnetischen -Kreises -angeordnet Sind, wobei die Stärke des magnetischen Feldes von der Größe des genannten oder eines anderen Luftspaltes im magnetischen Kreis bestimmt wird.
20.; Meßgerät"nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dem Meßgerät gehörenden Lichtquellen, Lichtdetektoren und Modulatoren Halbleiter der Gruppe IV, H-VI oder IH-V, z.B. Ge, GaAs, GaP und AlAs sind.
21. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld an einen pn-übergang gelegt wird und daß der gebildete Verarmungsbereich als Modulator dient.

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