NO823063L - Fiberkobler-omsetter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår transduktorer benyttet for måling av ubetydelige forskyvninger, f.eks. i størrelsesorden av ym eller mindre med stor nøyaktighet. Oppfinnelsen angår også indirekte måling av andre fysikalske parametre, slik som temperatur og trykk ved bruk av en sekundær transduktor som tilveiebringer en forskyvning proporsjonal med temperaturen eller trykket som skal måles. Oppfinnelsen angår målinger av slike fysikalske parametre med ekstremt høy oppløsning over et^relativt lite område eller over en korrelatert gruppe med dynamiske områder.

Den mest fordelaktige, tidligere kjente høyoppløsnings-forskyv-ningstrasduktoren er en lineær variabel differensialtransduktor som innbefatter en transformator som har en primærspole og to sekundærspoler symmetrisk anordnet på en sylindrisk form. En fritt bevegelig stangformet magnetisk kjerne på innsiden av spoleenheten utgjør en bane for den magnetiske fluksen som kopler spolen. Når primærspolen blir aktivert av en utenfor-liggende kilde blir spenning indusert i de to sekundære spolene. Disse sekundære spolene er i alminnelighet koplet som en motsatt seriekrets slik at to induserte spenninger har motsatt polaritet. Nettoutgangen til transduktoren er således differansen mellom disse to spenningene som er null når kjernen er ved senteret eller null-stillingen til transduktoren. Når kjernen blir beveget fra null-stillingen blir den induserte spenningen i spolen, mot hvilke kjernen blir beveget, øket,

mens den induserte spenning i motsatt spole minskes. Beveges kjernen fra null-stillingen frembringes en differensialspenning ved utgangen, som varierer lineært med endringen i kjerne-stillingen. Fortegnet til utgangsspenningen endres når kjernen blir beveget fra den ene nullsiden til den andre.

Slike transduktorer frembringer isolasjon mellom den elektriske kretsen og elementet hvis forskyvning blir målt og gir et bredt temperaturoperasjonsområde, lang mekanisk levetid og høy følsom-het med lav drift og lineæritet over et bredt dynamisk område. Følsomheten til slike anordninger gir f.eks. en målbar minimums- forskyvning så lav som 0,02 ym. Andre slike anordninger kan ha et lineært område så stort som 25,4 cm.

Mens slike transduktorer har lav følsomhet mot fiendtlige kjemiake og termiske omgivelser gjør deres elektromagnetiske art dem relativt følsomme mot elektrisk og magnetiske inter-ferenser slik at deres bruk ved fientlige elektromagnetiske omgivelser kan bli forhindret. Det dynamiske område til en bestemt transduktor så snart transduktoren er fremstilt, er dessuten forutbestemt som et bytte mot høy oppløsning slik at en bestemt transduktor ikke kan bli benyttet for forskjellige anvendelser.

Mens oppløsningen til slike transduktorer er relativt høy

kan det være nødvendig ved visse anvendelser å måle forskyvninger mindre enn 0,02 ym og til i dag har ikke elektromagnetiske . anordninger med slike oppløsninger blitt konstruert.

De mest vanlige benyttede temperatursensorer av den tidligere kjente typen som tilveiebringer en elektrisk signalutgang er termokoplere. Slike anordninger er konstruert ved å forbinde to stykker av forskjellige metaller, ofte i form av tynne tråder, med en forbindelse anordnet i omgivelsen hvor temperaturen skal bli målt. Temperaturendringer ved denne forbindelsen modifiserer det elektriske potensialet til hver av metallene og siden metallet reagerer forskjellig blir en 'poten-sialforskjell frembragt mellom de to metallene ved forbindelsen. Slike termokoplere gir en høy grad av temperaturfølsomhet, som gir så mye som 60 mV signaløkning/°C ved temperaturendringer. Disse temperaturkoplerne kan være direkte forbundet med analoge eller digitale målere for å tilveiebringe en nøyaktig gjentag-bar måling av temperaturen ved termokoplingsforbindelsen.

Kalibreringstabeller finnes for alle vanlige metallpar slik

som krom-konstantan eller jern-konstantan. Slike termokoplere drives dessuten over brede temperaturområder fra så lavt som

-150°C til så høyt som 2500°C med relativt små feil (noen ganger

så lavt som 0,5% over hele temperaturområdet). På grunn av at termokoplerne har liten termisk masse når de likevekt med deres omgivelse svært hurtig, spesielt når de er ekstremt tynne. Reaksjonstider så lave som en millisekund er kjent.

Mens termokoplere kan bli beskyttet for å motstå fientlige kjemiske omgivelser er de følsomme for induserte feil fra elektromagnetisk interferens. Med mindre de ikke er vel beskyttet ved skjerminger, som nødvendigvis vil øke deres termiske masse og termokoplerens rekasjonstid, kan disse an-ordningene dessuten være følsomme mot noen kor-rosive omgivelser.

Foreliggende oppfinnelse benytter følsomheten til en fiberoptisk kopler for mekanisk forskyvning av dens koplerelementer for å tilveiebringe en ikke-elektromagnetisk forskyvningstrans-duktor med ekstremt høy oppløsning.

Nærmere bestemt er det blitt funnet at koplingskoeffisienten

til enkelmodusfiberoptiske kopiere er forutsigbar variabel som følge av felles forskyvning av de fiberoptiske elementene som utgjør kopleren, spesielt når disse elementene blir beveget i en retning perpendikulært på den fiberoptiske lengdeaksen.

På grunn av at ved enkelmodus-fiberoptiske kopiere flere koplings-ordner er tilveiebringbar når kjerneelementene er tett anbragt (en tilstand som er kjent som "overkopling") er dessuten en familie med dynamiske områder mulig for en forskyvningstrans-duktor basert på slike kopiere. Hver av områdene innenfor familien kan ha en relativt høy oppløsning slik at en enkel kopler kan benyttet for målinger over forskjellige områder med forskjellige følsomheter, men idet hvert område har en høyere oppløsning enn vil det være mulig dersom hele området til familien var dekket av et enkelt dynamisk område.

Ved en spesiell sammenstilling for benyttelse av en fiberoptisk kopler på forskyvningsmålinger har en enkelmodus-fiberkopler,

som benytter flyktig feltkopling, et par fiberoptiske elementer anordnet i en flate mot flate sammenstilling med et par relativt bevegelige basiser eller substrater. En av disse substratene

er stivt montert i en måleskruestikke og det andre substrat er festet til et element hvis bevegelse skal bli målt. Når det andre substratet og et tilknyttet fiberoptisk element blir forskjøvet relativt i forhold til det stasjonære substratet blir den fiberoptiske koplerens koplingsgrad endret med en høy følsomhetsgrad i forhold til ubetydelige substratbeveg-elser.

s

Ved å tilføre lys til koplerinngangen og å benytte fotodetektorer og primær- og sekundærkoplerutgangene kan lysforholdet ved disse utgangene blir målt. Dette forholdet kan bli direkte omformet til en forskyvningsmåling for det bevegelige firberoptiske substratet relativt i forhold til det stasjonære substrat.

Ved å feste det bevegelige substratet til en gjenstand hvis forskyvningsgrad blir målt er dessuten en direkte avlesing av forskyvningen med en høy nøyaktighetsgrad og mulighet for gjen-tagelse av.dette mulig selv ved en fientlig elektromagnetisk omgivelse.

Forskyvningstransduktoren ifølge foreliggende oppfinnelse kan også bli benyttet for å måle frekvensen og amplituden til mek-aniske vibrasjoner. Bruk av en sekundærtransduktor, slik som et materiale somhar kjent termisk utvidelseskarakteristikk,

kan forskyvningstransduktoren dessuten bli benyttet indirekte for å måle temperatur. Likeledes har det blitt funnet at ved bruk av andre sekundærtransduktorer, slik som materialer 'som har kjente sammenpresningsevner kan forskyvningstransduktoren ifølge oppfinnelsen bli benyttet som en trykksensor. Andre fysikalske egenskaper kan likeledes bli målt så lenge som sekundærtransduktoren kan tilveiebringe forskyvning som varierer i samsvar med slike egenskaper.

Foreliggende oppfinnelse benytter temperaturtølsomheten til indekstilpasningsolje for å tilveiebringe en fiberoptisk kopler som basis for en ikke-elektromagnetisk transduktor

med høy oppløsning.

Nærmere bestemt er det ved foreliggende oppfinnelse funnet at koplingsgraden til en enkelmodus-fiberoptisk kopler er forutsigbar variabel som følge av endringer i brytningsindeksen til indekstilpasningsolje anordnet mellom optiske fibre som utgjør kopleren.

Ved een spesielle utførelsesform for benyttelse av en fiberoptisk kopler for temperaturmåling blir substratene nøyaktig lagt over hverandre for å tilveiebringe en forutbestemt koplingsgrad ved en valgt temperatur og blir så stivt sammenbundet på dette valgte stedet. Olje, som har en brytningsindeks som varierer på en forutsigbar måte med temperatur, fyller et mellomrom mellom basisene eller substratene. En hver av flere beskrevne utførelsesformer kan bli benyttet for å opprettholde en forutbestemt tykkelse på slik olje mellom flatene til koplersubstrat-ene.

Ved tilførsel av lys til koplerinngangen og benyttelse av fotodetektorer ved primær og sekundærkoplerutgangene kan lysforholdet ved disse utgangene bli målt. Dette forholdet kan bli direkte omformet til en måling av den fiberoptiske kopleren og dens omgivelse.

Siden fibrene som er i den fiberoptiske kopleren fra motsatte ender normalt ville kreve at kopleren og området hvor temperaturen skal bli målt må bli anordnet mellom lyskilden og detektorene,

har teknikker blitt utviklet for å tilveiebringe måling av koplingsgraden utelukkende fra ene siden av kopleren. En av disse teknikker utgjør leding av de optiske fibrers utgangs-ender i en sløyfe over koplerens overflate og stiv forbinding

av disse utgangsendene med koplerflaten for å beskytte den fra ødeleggelse. En annen teknikk utgjør refleksjon av den koplede greningen ved utgangsenden og bruk av en sekundær kopler for å normalisere ut en hver laserutgangsfluktasjon som ellers ville bli tydet som temperaturvariasjoner. Den andre metoden krever en optisk isolator med laserlyskilden for å forhindre laserutgangsfluktasjoner som ville medføre tilbakekopling

gjennom den primære optiske kopleren.

For å holde den termiske massen til kopleren lav og således

tilveiebringe en lav reaksjonstid for kopleren for temperaturendringer i den målte omgivelsen er basisene eller substratene benyttet for å bære de optiske fibrene i jordet mot den minste praktiske størrelsen.

Disse og andre fordeler ved foreliggende oppfinnelse skal-be-skrives nærmere med henvisning til tegningenehvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt gjennom den fiberoptiske kopler

benyttet ved foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom kopleren på fig. 1 langs

linjen 2-2,

fig. 3 viser et tverrsnitt av kopleren på fig. 1 langs linjen

3-3,

fig. 4 viser et perspektivriss av et element av kopleren på

fig. 1 adskilt fra dens andre element og hvor det viser sammenstillingen av mot hverandre vendte flater

av elementene,

fig. 5 viser et sideriss av en prøveenhet innbefattende den fiberoptiske kopler vist på fig. 1 for måling av

forskyvning,

fig. 6 viser en kurve over den teoretiske koplingsgraden til en kopler opptegnet som funksjon av den horisontale

forskyvningen til dens optiske fibre,

fig. 7 viser en kurve lignende den på fig. 8, men viser en andre teoretisk fiberoptisk koplingskurve for en fiberoptisk kopler som har et kjernemellomrom mindre enn den vist på fig. 6 for å frembringe en gruppe med dynamiske

områder for forskyvningstranduktoren,

fig. 8 viser et skjematisk diagram over en rettet krets for måling av koplingsskaden til kopleren innenfor prøve-enheten på fig. 5 for å tilveiebringe en forskyvningsmåling,

Fig. 9 viser et skjematisk blokkdiagram av et alternativt elektrisk system for bruk istedet for den elektriske kretsen på fig. 8 for måling av forskyvningen med

høy oppløsning,

fig. 10 viser et perspektivriss av en første anordning for

stiv sammenbinding av basen til substratene for kopleren på fig. 1 for bruk ved temperaturmåling,

fig. 11 viser et perspektivriss av en basis eller substrat til kopleren på fig. 1 ved en kant for nøyaktig adskillelse

av koplersubstratet ved en temperaturmålekopler,

fig. 12 viser en kurve over forholdet mellom temperaturen

i °C og koplingsgraden for en bestemt kopling benyttet

for temperaturmåling,

fig. 13 viser et perspektivriss av en første fiberoptisk anordning for å bevirke at inngangs- og utganggfiberen utløper fra kopleren utelukkende på ene siden og således tillater koplingen til å måle temperaturer ved den andre

enden for fiberoptisk forbindelse,

fig. 14 viser skjematisk bruken av en optisk isolator og en andre fiberoptisk kopler for å tillate temperaturmålinger som benytter en fiberoptisk kopler med fiberelementer utløpende utelukkende fra ene enden av primærkopleren og således tilveiebringer temperaturmåling ved den andre enden av de fiberoptiske elementene.

Fig. 1 til 4 viser en fiberoptisk kopler 10 som tilveiebringer transduktorelementet for forskyvningstranduktoren 11 ifølge foreliggende oppfinnelse.

Kopleren 10 har to strenger 12a og 12b til et enmodus-fiberoptisk materiale anordnet i langsgående bueformede spor 13a og 13b henholdsvis, utformet i optiske flater mot hverandre vendte flater 14a og 14b henholdsvis for rektangulære basiser eller substrater 16a og 16b henholdsvis.

Hver av strengene 12a og 12b innbefatter en kommersielt i . handelen tilgjengelig kvartsglassfiber som er dopet for å ha en sentral kjerne og- et ytre belegg eller en såkalt optisk kappe. Det er blitt funnet at foreliggende oppfinnelse arbeider effektivt med enkelmodus fiber, som i alminnelighet har en kjernediameter i størrelsesorden av 10 ym eller mindre og en kappediameter i størrelsesorden av 125 ym.

De bueformede sporene 13a og 13b har en radius som er svært stor sammenlignet med diameteren på strengene 12a og 12b. De '^"fiberoptiske strengene 12a og 12b, nå anordnet i sporene 13a og 13b henholdsvis, konvergerer gradvis mot senteret og divergerer mot kantene av substratene 16a og 16b. Ved sentrene til substratene 16a og 16b er dybden på sporene 13a og 13b som har deri anordnet strengene 12a og 12b respektivt mindre enn diameteren på strengene 12a og 12b. Ved kantene av substratene 16a og 16b er dybden på sporene 13a og 13b fortrinnsvis i det minste så

stor som diameteren på strengene 12a og 12b. Fiberoptisk materiale blir fjernet på hver av strengene 12a og 12b for å danne ovalformede plane overflater 18a og 18b som er i samme plan med mot hverandre vendte flater 17a og 17b henholdsvis til substratene 16a og 16b henholdsvis. Ved den viste utfør-elsesformen er koplerhalvdelen 10a og 10b identiske og er satt sammen ved å anbringe mot hverandre vendte flater 14a og 14b til substratene 16a og 16b sammen slik at overflatene 18a og 18b til strengene 12a og 12b er i et mot hverandre vendt forhold.

En indekstilpassende substand (ikke vist), slik som indekstilpasningsolje, er anordnet mellom de mot hverandre vendte.flatene 14a og 14b. Den indekstilpassende substansen har en brytningsindeks tilnærmet lik brytningsindeksen til kappen og virker for å forhindre optiske flate overflater 14a og 14b å bli permanent låst sammen.

Et samvirkende område 32 er utformet ved tilknytningen mellom strengene 12a og 12b. Ved samvirkningsområdet 32 blir lys overført mellom strengene 12a og 12b ved flyktig feltkopling.

Når mellomrommet mellom strengene 12a og 12b kjerner er innenfor en kritisk sone mottar hver streng en betydelig del av den flyktige feltenergien fra den andre strengen og optimal kopling blir tilveiebragt uten betydelig energitap. For en enkel modus fiber som har en trinnindeksgradient kan den kritiske sonen være heller smal. Ved en enkel modus fiber av den typen vist på

fig 1 til 4 er den nødvendige senter-til-senter avstanden mellom strengene 12a og 12b ved senteret av kopleren i alminnelighet mindre enn et par (f.eks. 2-3) kjernediamtre.

Strengene 12a og 12b er fortrinnsvis symmetriske over samvirkningsområdet 32 i planet til de mot hverandre vendte flatene 18a og 18b slik at de mot hverandre vendte flatene 18a og 18b utstrekker seg sammen dersom over lageret.

Kopleren 10 innbefatter fire porter merket A, B, C og D på fig. 1. Dersom det blir antatt at innført lys av en egnet bølgelengde, f.eks. 1,15 ym, blir tilført porten A passerer dette lyset gjennom kopleren 10 og blir utført enten ved den ene eller begge portene B og porten D, avhengig av mengden av energi som blir koplet mellom strengene 12a og 12b. I dette henseende blir uttrykket "normalisert koplet energi" definert som energiforholdet til koplet energi i forhold til total utført energi.. Ved eksempelet ovenfor vil den normaliserte koplede energien være lik forholdet mellom energien ved porten D og summen av energien utført portene B og D. Dette forholdet er også henvist til som "koplingsgrad" og når så benyttet er det i alminnelighet uttrykt i prosent. Når uttrykket "normalisert koplet energi" blir benyttet her skal det derunder forstås at koplingsgraden 'er lik den normaliserte koplede energien ganger 100.

Kopleren 10 drives etter flyktig feltkoplingsprinsippet hvor

ledet moduser med strenger 12a og 12b samvirker gjennom deres flyktige felt for å bevirke lysoverføring mellom strengene 12a og 12b. Som tidligere bemerket forekommer overføring av lys mellom strengene la og 12b ved samvirkningsområdet 32. Den over-førte lysmengden er avhengig av nærheten og orienteringen av strengenes 12a og 12b kjerner såvel som samvirkningsområdets 32 effektive lengde. Dersom samvirkningsområdets 32 lengde og strengenes 12a og 12a adskillelse innenfor dette området 32

er riktig valgt vil lyset i kopleren 10 utføre kun en overgang mellom strengene la og 12b når det vandrer gjennom samvirkningsområdet 32. Dersom kopleren 10 er riktig konstruert er det mulig ved slike forhold ,å kople 100% av lyset innført ved porten A

til porten D. Dersom lengden på samvirkningsområdet 32 blir ytterligere øket eller adskillelsen mellom strengene 12a og 12b blir ytterligere redusert oppstår et fenomen her kalt overkopling hvor lyset vil overføres tilbake til strengen fra hvilket det opprinnelig kom. Flere overkoplingsordninger er mulig.

Når samvirkningslengden fremdeles blir ytterligere øket etter adskillelsen blir ytterligere redusert vil således lyset utføre flere overføringer mellom strengene 12a og 12b. Lyset kan således gå flere ganger frem og tilbake mellom de to strengene 12a og 12b når det går gjennom området 2, idet antall slike overføringer er avhengig av lengden på samvirkningsområdet 32 og mellomrommet mellom strengene 12 og 12b innenfor dette området.

Fig. 5 viser anbringelsen av den fiberoptiske kopling 10 i en forskyvningstrandsuktorutførelse. Ved denne utførelsen er substratet 16b stivt anordnet i en ramme eller et åk 20

som har en trinnformet U-formet kanal 22. Den nedre delen 24 til kanalen 22 er smalere enn den øvre delen 26 og er dimen-sjonert slik at den kan stivt monteres i det nederste substratet 16b med bunnen av substratet 16b hvilende på bunnen av kanalen 22..

Trinnovergangen mellom den øvre delen 26 og den nedre delen 24 er under de mot hverandre vendte flater 14a og 14b til kopleren 10 slik at det øvre substrat 16a kan bli beveget i en retning perpendikulært på kanalen 22 mellom sideveggene som utgjør den øvre kanaldel 26. Kopleren 10 er orientert slik at strengene 12a og 12b er i en retning parallelt med kanalen 22 for å tillate slike bevegelser for sidemessig å forskyve de mot hverandre vendte flater 18a og 18b (fig. 1).

En sylindriskformet fastholder 28 er glidbart anordnet for å rage ut fra ene sideveggen til den øvre delen 26 i kanalen 22. Denne fastholderen 28 er fjærforspent for å ligge an mot ene siden av substratet 16a. Et differensialmikrometer 30 er anordnet på den motsatte sideveggen til den øvre kanaldelen 26. Differensialmikrometeret 30 ligger an mot den motsatte siden

av substratet 16a slik at substratet 16a og 16b blir fastholdt mellom mikrometeret 30 og den fjærforspente fastholderen 28.

Ved å dreie mikrometeret 30 kan stillingen til substratet -16a

bli justert relativt i forhold til substratet -16b for å tilveiebringe en begynnelse eller startstilling for forskyvningsmålingen.

Det øvre substratet 16a har en utragende flens 33 som ligger ' an mot en skyvestang 3 4 montert for frem- og tilbakegående bevegelse i en føring 36. Skyvestangen 34 kan ha en forstørret andre ende 38 for anbringelse på et element (ikke vist) hvis forskyvning skal bli målt.

Når skyvestangen 34 er anordnet mo venstre, som vist på fig. 5, ligger skyvestangen 34 an mot flensen 33 og forskyvningen av det øvre substrat 16a mot venstre relativt til substratet 16b overvinner fastholderen 2 8 forspenning og forskyvningen av substratet 16a bort fra mikrometeret 30. Denne forskyvningen forskyver igjen strengene 12a og 12b i sideretningen (fig. 1)

Kurven 40 på fig. 6 viser virkningen av denne siderettede forskyvningen av mot hverandre vendte fiberflater 18a og 18b (fig. 1) for kopleren 10 med et minimums kjernemellomrom når flatene 18a og 18b er lagt over hverandre som tilveiebringer en koplingsgrad på 50%. Som vist på fig. 6, når de mot hverandre vendte overflatene 18a, 18b til fiberen 12a og 12b er sidemessig for-skjøvet i en av retningene fra den overliggende sammenstillingen for å øke mellomrommet mellom strengene 12a og 12b, reduseres den koplede energien gradvis mot null. En del av denne gradvise økningen er i hovedsaken lineær og er betegnet som "dynamisk område" 42 på fig. 6. Det skal bemerkes at kopleren 10 som har karakteristikken vist på fig. 6 derfor blir benyttet ved systemet på fig. 5, idet mikrometeret 30 først vil bli benyttet for å justere startstedet på det øvre substrat 16a til et sted innenfor det dynamiske område 42. Startstillingen kan f.eks. være ved ene enden av det dynamiske område 42 slik at trykket på skyvestangen 34 (fig. 5) kan justere stillingen til det øvre substrat 16a i en retning som utnytter hele det dynamiske område 42.

s

Dersom forskyvningsmålingen i en retning er ønskelig kan alternativt mikrometeret 30 bli benyttet for justering av startstillingen slik at den er i midten av det dynamiske område 42. Det skal bemerkes at dersom skyvestangen 34 justerer stillingen til det øvre substratet 16a slik at koplingsgraden varierer mellom tilnærmet 20% og 40%, .som vist på fig. 6, vil lysutgangsforholdet ved porten B og D (fig. 1) variere lineært i forhold til forskyvningen av substratet 16a. Dette forholdet tilveiebringer således en direkte lineær måling av forskyvningen på substratet 16a.

Koplingsgraden er på fig. 7 vist opptegnet i forhold til forskyvningen fra null med overflatene 18a og 18b overlagret for en kopler som har et minimums kant-til-kant kjernemellomrom som gir overkopling. Når det øvre substrat 16a (fig. 1) således er sidemessig forskjøvet i forhold til det nedre substratet 16b med 9 ym er det en 100%-ig kopling tilstedet.

Dvs. lyset som går inn i kopleren ved porten A vil gå ut av porten D, idet i virkeligheten ikke noe lys går ut ved porten B. Når strengene 12a og 12b blir beveget tettere mot hverandre ved å forskyve det øvre substratet 16a mot en retning overlagret stilling over substratet 16b blir lyset som opprinnelig ble koplet fra porten A og strengen 12a inn i strengen 12b tilbakekoplet inn i strengen 12a. Ved en forskyvning på 5 ym er kolingsgraden derfor null, idet alt lyset har blitt koplet tilbake fra strengen 12b til strengen 12a.

Når strengene 12a og 12b blir beveget enda tettere mot en overlagret stilling slik at deres forskyvning er 2 ym blir igjen 100%-ig kopling tilveiebragt. Dvs. lyset blir overført fra porten A og strengen 12a til strengen 12b, så tilbake til strengen 12a, og tilslutt fullstendig tilbake til strengen 12b for å gå ut ved porten D.

Ved å anbringe fiberkjernene tilstrekkelig tett til hverandre som ved flyting og polering av kappen til strengene 12a og 12b tilstrekkelig slik at kjernene ligger svært nær overflaten 18a og 18b kan en stor grad overkopling bli tilveiebragt. Overkopl-ingen som grafisk er vist på fig. 7 vil tilveiebringe tre -sepa-rate dynamiske områder 46, 48 og 50, idet hver-.er hovedsakelig lineær enten på begge sidene av null eller den overlagrede stillingen. Hver av de dynamiske områdene 46, 4 8 og 5 0 kan bli benyttet selektivt for forskyvningsmålinger og hvert dynamisk område 46, 48 og 50 vil tilveiebringe en annen overførings-funksjon eller transduktorkonstant.

Det dynamiske område 46 som tilveiebringer den største endringen i koplingsgraden i forhold til horisontal forskyvning vil tilveiebringe de mest nøyaktige forskyvningsmålingene, den største målingsoppløsningen, men det laveste dynamiske område. Det dynamiske område 50 som har den minste stigningen vil gi den bredeste lineære forskyvningen av de tre områdene 46, 48 og 50, men den minste oppløsningen. Ved å benytte mikrometeret 30 (fig. 5) for å justere kopleren 10 kan således et dynamisk område 46, 48 og 50 bli valgt som tilveiebringer følsomhet og område nødvendig for en bestemt måling.

Det skal bemerkes at ved dette spesielle systemet tilveiebringer de tre dynamiske områdene 46, 48 og 50 en lineær forskyvning på omkring 2, 3 og 4 ym henholdsvis med en oppløsning på tilnærmet 0,0 05 ym i hvert område 46, 4 8 og 50.

Fig. 8 viser et elektrisk system 51 for måling av utgangslys-forholdet til portene B og D (fig. 1) for å tilveiebringe en koplingsgradmåling og således å frembringe et elektrisk signal som er proporsjonal med forskyvningen. Ved anordningen som vist på fig. 8 frembringer en laserdiode 52 et kontinuerlig bølgesignal til den fiberoptiske kopleren 10 og spesielt porten. A (fig. 1). Utgangene fra porten B og D er forbundet henholdsvis med et par detektorer 54 og 56, som hver frembringer et elektrisk utgangssignal proporsjonalt med lysintensiteten ved portene B

og D henholdsvis. De elektriske signalene utført fra detektoren 54, 56 blir tilført en forholdsmåler 58, som tilveiebringer en direkte måling av forholdet mellom utgangslyset fra porten D og utgangslyset ved begge portene B og D. Denne utgangen blir ut-ført som en analog utgang 60 for driving av annet utstyr (ikke vist) og en digial fremvisningsretning 62 for tilveiebringelse av en direkte fremvisning av forskyvningen. Det skal bemerkes at den analoge utgangen 60 og den digitale fremvisningsinn-retningen 62 kan innbefatte graderingsfaktorer eller konstanter valgt for å tilveiebringe direkte forskyvningsmålinger i en egnet målingsenhet. Forholdsmåleren 5 8 sammen med analoge og digitale utganger 60 og 62 henholdsvis er vanlige kjente anordninger .

Fig. 9 viser et mer nøyaktig elektronisk system 53 for måling av utgangssignalene fra detektoren 54 og 56 og således mekanisk forskyvning. Dette eksempelet tilfører en laserdiode 52 lys til porten A til den fiberoptiske kopleren 10 og utgangene til portene B og D blir overvåket av detektoren 54, 5 6 som på fig. 8. Laserdioden 52 tilfører imidlertid ikke kontinuerlig lys som på fig. 8, men istedet tilføres et pulset lys som blir indusert av en pulsgenerator 66 som styrer en diode-energiforsyning 68. Ved et foretrukket utførelseseksempel kan pulsgeneratoren 66 tilveiebringe firkantbølgepulser ved en frekvens på 2 kHz slik at utgangen for laserdioden 52

blir modulert ved en 2 kHz hastighet.

Utgangen for pulsgeneratoren 66 blir tilført i tillegg som en referanse på line 69 til et par låseforsterkere 70 og 72, som er forbundet med utgangen til detektorene 54 og 56 henholdsvis. Referanseinngangen 68 til forsterkerne 70, 72 tilveiebringer

et taktsignal for å åpne disse forsterkerne 70, 72. Forsterkerne 70, 72 er i og for seg kjent og hver tilveiebringer et

signal proporsjonalt med gjennomsnittstoppverdien til utgangen fra detektorene 54, 56 henholdsvis. Ved å benytte referanse-signalet på linjen 69 vil således låseforsterkerne 70, 72

måle topputgangsniVået fra detektorene 54, 5 6 og vil gjennom-snittsberegne toppnivået over et forutbestemt antall perioder til pulsgeneratoren 66. Antallet perioder kan justeres ved hver av forsterkerne 70, 72.

Utgangen fra forsterkerne 70, 72 er tilknyttet en forholds'-måler 58 som beskrevet med henvisning til fig.'1-8 for å tilveiebringe et analog utgangssignal 60 og en digital fremvis-ningsinnretning 62 tilsvarende forskyvningen av det øvre substratet 16a (fig. 1).

Ved å velge integreringstiden til låseforsterkerne 70, 72,

dvs. antallet pulsperioder for generatoren 66 som er gjennom-snittsberegnet ved hjelp av hver av forsterkerne 70, 72 kan båndbredden til målingene bli justert. En integrasjonstid på 1 sekund tilsvarer f.eks. en målerbåndbredde på 2 kHz sentrert om pulsgeneratorens 76 frekvens. Denne reduserte båndbredden reduserer i hovedsaken støysignaldelen ved utgangen til forholdsmåleren 5 8 og øker derved målingenes nøyaktighet mens den reduserer minimumstidsperioden mellom påfølgende målinger, f.eks. ved denne utførelsesformen til et sekund.

Dvs. målingene er tilgjengelig kun ved en en sekunds gjen-tagelseshastighet. Ved riktig justering av begge forsterkerne 70, 72 til en integrasjonstid som tilveiebringer kun den nød-vendige målerepitisjonshastigheten kan støybåndbredden således bli i hovedsaken redusert og signal-til-støy forholdet betydelig øket, som således øker målingens nøyaktighet. En operatør kan således velge en egnet utbytting mellom målingsnøyaktigheten og repitisjonshastigheten for å tilpasse kravene til en bestemt måling.

Forenfor gående beskrivelsen fremgår det at den fiberoptiske kopler tilveiebringer en ikke-elektromagnetisk forskyvningsmåling som er ekstremt nøyaktig. Denne enkle kopleren kan dessuten tilveiebringe mer enn et dynamisk måleområde dersom kopleren blir fremstilt for tilveiebringelse av overkopling.

Med henvisning til' fig. 10 skal det bemerkes at for å forme

en temperatursensor 63 lik kopleren 10 beskrevet ovenfor for forskyvningsmålinger er det nødvendig for substratene 16a og 16b å være innrettet eller avstemt for tilveiebringelse av en koplingsgrad som er tilnærmet på midten langs en relativ lineær del av en kurve for koplingsgraden i forhold til kjerne mellomrommet. Dette vil øke lineæriteten og temperaturmålingen. Så snart kopleren 10 er blitt avstemt til dette foretrukne fiber-mellomrommet kan teknikken vist på fig. 10 bli benyttet. Som vist på denne figuren kan det øvre substratet 16a og det nedre substratet 16b være sveiset langs deres ytre kanter ved å benytte et lavt smeltende temperaturglass 64 for å forhindre forskyvning av substratene 16a og 16b. Siden størrelsene på substratene 16a og 16b skulle bli redusert i størst mulig grad for å senke den termiske massen til temperaturtøleren 63 kan substratene 16a og 16b bli klemt sammen i den foretrukne orienteringen og kantene slipt ført sveisingen av glasset 64. Før denne sveiseoperasjonen skulle substratene 16a og 16b bli adskilt fra hverandre med et lag indekstilpasningsolje.

Ved utførelsesformen vist på fig. 11 kan et tykkere lag med indekstilpasningsolje av jevnt tverrsnitt bli påført substratene 16a og 16b ved å anordne på substratet 16b en tynn kant 6'8 som omgir flaten av substratet 16b som ligger an mot substratet 16a. Denne kanten 68 vil holde indekstilpasningsoljen nær koplings-området og vil ytterligere gi et bindeområde for sammenfest-ing av de to substratene 16a og 16b. Kanten 68 skulle bli avsatt på substratet 16b etter at substratet 16a og 16b har blitt slipt til den minste mulige størrelse. Fremstillingen av kanten 6 8 kan lett bli tilveiebragt ved å benytte standard vakuumav-tetningsteknikk som tilveiebringer nøyaktig, lavtykkelse filmer så tynne som 10 Å. En foretrukket tykkelse på kanten 68 er tilnærmet 1 ym. Så snart kanten 68 er blitt avsatt kan molekylar binding bli benyttet forsterket ved hjelp av ultralydbølger for å feste kanten 68 og substratet 16b til flaten av substratet 16a etter at temperatursensoren 63 er blitt nøyaktig avstemt.

Et tynt bindingsmiddel kan alternativt bli benyttet mellom kanten 68 og substratet 16a.

Kurven 70 på fig. 12 viser virkningen av temperaturen på brytningsindeksen til en typisk indekstilpasningsolje som er anordnet mellom substratet 16a og 16b. Kurven 70 viser også forhdldet mellom temperaturen i °C og brytningsindeksen og igjen forholdet mellom temperatur og koplingsgraden.

Som det fremgår av kurven 70 kan en alminnelig indekstilpasningsolje tilveiebringe relativ lineær endring i koplingsgraden mellom temperaturene til tilnærmet 20° og 43°C. Ved valg av olje av forskjellige karakteristiske brytningsindekser med temperatur, temperaturer innenfor forskjellige områder bli målt, og forskjellige oppløsningsmålinger av temperaturen kan bli tilveiebragt..

Temperatursensoren 63 kan bli benyttet ved utførelsesformen

vist på fig. 1, idet inngangs lyset tilført til porten A til kopleren 10 og utgangslyset ved porten B og D blir målt for å bestemme koplingsgraden for temperatursensoren 63 dersom omgivelsen som temperaturen skal bli målt i kan fortrinnsvis bli anordnet mellom lyskilden 52 og fotodetektorene 54 og 56. Siden dette ikke ofte er tilfelle kan anordningen på fig, 13

bli benyttet for ad lyskilden 52 og fotodetektorene 54 og 56 alle skal bli anordnet utelukkende på ene siden av temperatursensoren 63 og således tillate temperatursensoren 63 å bli ført inn i en termisk omgivelse og bli målt ved den ene enden av de optiske fibrene 12a og 12b. Ved anordningen vist på fig.

13 kan de optiske fibrene 12a og 12b som går ut av temperatursensoren 63 ved portene B og D bli ført i sløyfe over det øvre substratet 16a og forbundet med den øvre overflaten til substratet 16a ved hjelp av et egnet bindemiddel. Ved denne utførelsesformen er det fordelaktig å smelte lavtemperatur glass 72 på enden av temperatursensoren 63 for å innkapsle og

beskytte delen av fibrene 12a og 12b som er ført i sløyfe.

En alternativ anordning for å tilveiebringe temperatursensoren 63 ved den ene enden av den optiske fibersammenkoplingen er

vist i fig. 14. Ved denne utførelsesformen er fibrene 12a og 12b kuttet i flukt med enden av temperatursensoren 33 ved portene B og D (fig. 1). Et speil 72 anordnet mot enden av fiberen 12a ved porten D for å reflektere all koplet grenenergi mot temperatursensoren 63. Det temperatur avhengige optiske signalet kan så bli detektert ved den andre inngangssidefiberen 12b ved porten C som således blir en utgangskanal. Signalstørrelsen, PQ/er proporsjonal med P (E)(1-E) hvor E er temperaturav-hengig koplingsgrad for fiberkopleren 10.

Uår utførelsesformen vist på fig. 14 benyttes er det nødvendig

å beskytte laserdioden 74 mot energi reflektert av speilet 74 og tilbakekoplet til fiberstrengen 12a. Denne beskyttelsen blir tilveiebragt ved en optisk isolator som forhindrer slik reflektert energi fra å innføre laserutgangsfluktasjoner. Slik optisk isolasjon blir tilveiebragt, f.eks. ved å benytte en kvartsbølgeplate 48 kombinert med en polarisator 78 på velkjent måte.

Speilet 74 kan være avsatt på den polerte endeflaten til temperatursensoren 73 hvor utgangsfiberen 12b er blitt kuttet. Et speil av metallisk type er foretrukket mot et dielektrisk, fler-lags speil hvis refleksjonskoeffisient også er temperatur-følsom. Et glassjikt 80 kan være vakuumavsatt på toppen av speilet 74 for å tilveiebringe ekstra mekanisk beskyttelse.

Ved denne anordningen blir en optisk kopler 82 benyttet sammen med inngangsfiberen 12a for å nirmalisere ut en hver laser-utgangs- eller utsettingsvirkningsgradvariasjon. Utgangen fra den koplede strengen 84 til denne kopleren 82 blir benyttet som referanse for måling av forholdet mellom koplingsgraden.

Det er blitt funnet at økningen av tykkelsen på sjiktet til indekstilpasningsoljen mellom substratet 16a og 16b (fig. 1), følsomheten til temperatursensoren 63 og temperaturendringene kan bli øket. Denne følsomheten kan bli ytterligere forbedret ved å polere substratene 16a, 16b tettere opp mot fibrenes 12a og 12b kjerner og øke væskesjiktets tykkelse. Redusering av størrelsen på substratene 16a og 16b til tilnærmet 5x5

ved 10 mm i f.eks. en svært lav termisk masse og reduserer således reaksjonstidene. Adekvate innbyrdes forbindelser av substratene 16a og 16b, som ved sveising, er viktig slik at den fysiske størrelsen på oljesjiktet mellom substratene 16a og 16b ikke endrer temperaturen. Substratet 16a skulle dessuten være konstruert av materiale, slik som kvarts, som har en termisk utvidelseskoeffisient slik den til de optiske fiberne 12a og 12b for å unngå ødeleggelse av de optiske fiberne 12a og 12b ved temperaturendringer.

Temperatursensoren 63 tilveiebringer gjentagbare, nøyaktige temperaturmålinger i alminnelighet fra tilnærmet 0°C til 50°C avhengig av den benyttede indekstilpasningsvæsken. En følsomhet så høy som 400 millivolt/°C kan tilveiebringes og oppløsninger som tilveiebringer minimale detekterbare temperaturendringer på 0,001°C kan bli realisert. Temperatursensoren 63 er ufølsom mot fientlige elektromagnetiske omgivelser og kan således bli benyttet ved steder hvor andre temperaturmåleanordninger ikke kan brukes.

De elektriske systemene 51 og 53 på fig. 8 og 9 henholdsvis kan bli benyttet i forholdbindelse med fiberoptiske anordninger på fig. 10, 13 og 14 som har temperaturavhengige koplingsgrader for å frembringe et elektrisk signal som er proporsjonalt med temprraturen. Analog utgangen 60 og digital fremvisningsinn-retningen 62 kan innbefatte egnede graderingskonstanter for å tilveiebringe en direkte temperaturutlesning ved valgte enheter, slik som Celsius eller Fahrenheit.

Claims (18)

1. Transduktor for måling av fysikalske parametre, idet transduktoren har en fiberoptisk kopler med en første og andre fiber, hvor kopleren har et samvirkningsområde i hvilket lysutbredelsen i en av fibrene blir overført til den andre fiberen ved flyktig feltkopling, idet kopleren har en koplingsgrad som er variabel i avhengighet av den fysikalske parameteren og innbefatter innretning for innføring av lys i en av fiberne,karakterisert veden første detektor anordnet for detektering av lys ført ut av den første fiberen, en andre detektor anordnet for å detektere lys utført av den andre fiberen, og en forholdsmåler forbundet med den første og andre detektor for å tilveiebringe et utgangssignal proporsjonalt med forholdet mellom lysintensiteten mottatt ved en av den første og andre detektor og lysintensiteten mottatt av den andre av detektorene, idet forholdet angir koplingsgraden for den fysikalske parameter.

2. Transduktor ifølge krav 1,karakterisertved at fibrene er enkelmodus optiske fibre.

3. Transduktor ifølge krav 1 eller 2,karakterisert veden første låseforsterker forbundet mellom forholdsmåleren og den første detektoren for å tilveiebringe for forholdsmåleren et signal proporsjonalt med gjennomsnittlig toppverdi for lysintensiteten fallende på den første detektor, en andre låseforsterker forbundet mellom forholdsmåleren og den andre detektoren for å tilveiebringe forholdsmåleren et signal proporsjonalt med gjennomsnittstoppverdien til lysintensiteten fallende på den andre detektor, og en pulsgenerator forbundet med den første låseforsterkeren og den andre låseforsterkeren for å styre tiden i løpet av hvilken den første og andre låseforsterkeren gjennomsnittsberegner utgangen til den første og andre detektoren for å styre båndbredden til signalutgangen til forholdsmåleren.

4. Transduktor ifølge krav 1 eller 2 hvor den fysikalske parameteren er forskyvning,karakterisert vedat den innbefatter innretning for forskyvning av den første fiber relativ i forhold til den andre fiber for å variere koplingsgraden til den fiberoptiske kopler i samsvar med en forskyvning som skal bli målt.

5. Transduktor ifølge krav 4,karakterisertved et første substrat med et spor hvor den første fiberen er anordnet, et andre substrat med et spor hvor den andre fiber er anordnet, en ramme med en kanal stivt anordnet på det andre substratet, en fastholder i kanalen tiliggende første substratet, en flens som strekker seg fra det første substratet og en skyvestang tilliggende flensen for forskyvning av det første substratet mot fastholderen relativt i forhold til det andre substratet for siderettet forskyvning av den første fiber eller i forhold til den andre fiber, for derved å variere koplingsgraden til kopleren som følge av skyvestangens forskyvning.

6. Transduktor ifølge krav 5,karakterisertved et mikrometer forbundet med rammen for justering av begynnelsesstillingen til substratet relativt i forhold til substratet for å velge et dynamisk område for koplingsgraden.

7. Transduktor ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat den fysikalske parameter er temperatur og at koplingsgraden varierer som følge av endringer i temperaturen til fibrene i samvirkningsområdet.

8. Transduktor ifølge krav 7,karakterisertved et materiale som har en temperatur av brytningsindeks anordnet mellom den første fiber og den andre fiber i samvirkningsområdet, idet koplingsgraden er variabel i forhold til brytningsindeksen for materialet.

9. Transduktor ifølge hvilket som helst et av kravene 1-8,karakterisert vedat den første fiber og den andre fiber er anordnet i samvirkningsområdet for å tilveiebringe overkopling.

10. Transduktor ifølge krav 7, 8 eller 9,karakterisert veden laser for tilveiebringelse av et lys innført til den første fiber, et speil anordnet for å reflektere lys utført av den andre fiber og tilbake til den andre fiber, en fiberoptisk kopler anordnet mellom laseren og den første fiber og en optisk isolator anordnet mellom laseren og den fiberoptiske kopler.

11. Transduktor for å måle en fysikalsk parameter,karakterisert veden fiberoptisk kopler med variabel koplingsgrad, anordning for å variere koplingsgraden for den fiberoptiske kopler i forhold til den fysiske parameter og anordning for å måle koplingsgraden til den fiberoptiske kopler for å måle den fysikalske parameteren.

12. Transduktor ifølge krav 11, hvor den fiberoptiske kopler har en første fiber, andre fiber,karakterisertved en første detektoranordning for å detektere lys ut-først av den første fiber, en andre detektor anordnet for å detektere lys utført av den andre fiber, en forholdsmåler forbundet med den første og andre detektor for å tilveiebringe et utgangssignal proporsjonalt med lysintensitetsforholdet mottatt ved en av de første og andre detektorene, idet forholdet angir den fysikalske parameter.

13. Transduktor ifølge krav 12,karakterisertved en første låseforsterker forbundet mellom forholdsmåler og den første detektor for å tilveiebringe for forholdsmåleren et signal proporsjonalt med gjennomsnittstoppverdien til lysintensiteten fallende på den første detektoren, en andre låseforsterker forbundet mellom forholdsmåleren og den andre detektor for å tilveiebringe for forholdsmåleren et signal proporsjonalt med gjennomsnittstoppverdien for lysintensiteten fallende på den andre detektor, og en puls generator forbundet med den første låseforsterker og med den andre låseforsterker for å styre tiden i løpet av hvilken den første og andre låseforsterker gjennomsnitt av utgangen for den første og andr,e detektor for å styre båndbredden til signalet ført ut fra forholdsmåleren.

14. Transduktor ifølge krav 13,karakterisertved et første substrat med et spor, idet den første s fiber anordnet i sporet, et andre substrat med et spor, idet den andre fiber anordnet i sporet, en ramme med kanal stivt anordnet i det andre substratet, en fastholder i kanalen tilliggende første substratet, en flens som strekker seg fra det første substratet og en skyvestang tilliggende flensen for forskyvning av første substratet mot fastholderen relativ i forhold til det andre substratet for i sideretningen å forskyve den første fiber relativ i forhold til den andre fiber for således å variere koplingsgraden til kopleren som .følge av skyvestangens forskyvning.

15. Transduktor ifølge krav 14,karakterisertved et mikrometer forbundet med rammen for justering av begynnelsesstillingen til substratet relativt i forhold til .substratet for å velge et dynamisk område for koplingsgraden.

16. Transduktor ifølge krav 11, 12 eller 13,karakterisert vedat materialet som har en temperatur-avhengig brytningsindeks anordnet mellom den første fiber og den andre fiber i samvirkningsområdet, idet koplingsgraden kan varieres i forhold til brytningsindeksen for materialet.

17. Transduktor ifølge hvilket som helst et av kravene 1-8,karakterisert vedat den første fiber og den andre fiber er anordnet i samvirkningsområdet for å tilveiebringe overkopling.

18. Transduktor ifølge krav 12, 16 eller 17,karakterisert veden laser for tilveiebringelse av et lys ført inn i den første fiber, et speil anordnet for å reflektere lys ført ut av den andre fiber tilbake til den andre fiber, en fiberoptisk kopling anordnet mellom laseren og første fiber og en optisk isolator anordnet mellom laseren og den firberoptiske kopler. s