专利名称：用于扫描一个物理量的布拉格－光栅－传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到用于扫描至少一个物理量的布拉格-光栅-传感装置。
布拉格-光栅-传感装置用于扫描至少一个规定的物理量是已知的和示范性地在Yun-Iang Rao“非光纤的布拉格光栅传感器”，测量科学技术8(1997)355-375页中叙述了很多实施形式。按照这个文献准备扫描的物理量可以是拉应力、温度、压力、超声波、加速度、强磁场和/或一个力。
在任何已知的实施形式中在至少一个光学传输路径中为了传输光发射至少安排了具有光栅特有的布拉格-波长的布拉格-光栅，这个波长是被这个光栅反射的，如果在被传输的光发射的传输路径上包括这个波长的话，而包括在这个发射中与这个布拉格-波长不同的任何波长穿过光栅。光栅的布拉格-波长随着作用在这个光栅上的物理量的改变而变化。
在任何实施形式中光学传输路径是由一个光纤构成的，在其上一个布拉格-光栅是通过周期的折射系数的波动实现的。
在特殊的实施形式中在光纤上安排了多个在光纤上具有不同光栅特有的布拉格-波长的多个连续排列的布拉格-光栅，其中每个光栅的光栅特有的布拉格-波长随着作用在光栅上物理量的改变而变化和如果在光纤上被传输的发射中包括布拉格-波长的话，被这个光栅单独反射。
关于这种特殊的实施形式是，代替只有两个或者多个光纤，在其上安排了具有连续不同光栅特有的布拉格-波长的任意多个连续排列的布拉格-光栅和其每个存在用于传输由一个共同的光发射源产生的光发射。
专门实现的特殊实施形式有一个可以调谐的光发射源为了产生规定的波长的窄带的光发射，和光源是这样控制的，规定的波长是随着时间变化的和此时通过一个波长范围，这个波长范围包括在光纤上的所有布拉格-光栅的不同的光栅特有的布拉格-波长，这样规定的波长时间连续地至少一次取决于这些光栅特有的布拉格-波长。
将随着时间变化的规定的波长在光纤上耦合和在光纤上传输。因为在不同时间点上被传输的波长取决于每个布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长和此外还被这个光栅反射，产生不同的被反射的光栅特有的布拉格-波长的时间顺序。
用于产生规定波长的窄带的光发射的可调谐发射源在一种情况下例如是由用于产生具有一个波长范围的宽带光发射的光发射源构成的，波长范围包括同时在光纤上的所有布拉格-光栅的各种光栅特有的布拉格-波长，和由一个可调谐的波长扫描器构成的，这个是连接在宽带源的后面和由宽带发射产生取决于规定的波长的窄带发射。将波长扫描器为了在时间上改变规定的波长用台式振荡器始终单调变化的信号进行控制，这个的作用是使规定的波长始终重复地通过宽带发射的整个波长范围和这样就产生了所希望的随着时间变化的规定的波长，将这个在光纤上耦合和在光纤上传输。
在另外情况下可调谐的发射源为了产生在规定的波长上的窄带的光发射例如包括一个光发射源为了产生具有波长范围的宽带光发射，波长范围在光纤上同时包括所有布拉格-光栅的不同的光柵特有的布拉格-波长，包括一个可调谐的法布里-柏罗-滤波器，这个是连接在宽带源后面的和包括一个可调谐的干涉仪的波长扫描器，这又是连接在法布里-柏罗-滤波器后面的。
用法布里-柏罗-滤波器将宽带发射的整个波长范围中的时间连续的窄带波长子范围进行调整，其中每个子范围单独包括每个布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长。如果将这个滤波器调整到这个子范围，滤波器只输出包括这个子范围的光发射。为了对子范围进行时间序列调整将滤波器用分级信号振荡器的分级单调变化的信号进行控制。
可调谐的干涉仪的波长扫描器由法布里-柏罗-滤波器调整到窄带波长子范围的每个被调整的发射产生取决于规定波长的窄带发射。在每个子范围这样控制波长扫描器，在这个子范围的规定的波长随着时间变化和通过这个子范围。此外用台式振荡器的信号控制波长扫描器，这个信号在每个被调整的子范围内始终单调地随着时间变化。
因为将窄带的波长子范围时间连续地进行调整和当规定的波长通过每个子范围时一次遇到包括在这个子范围中的各个布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长，在这里在不同时间点上的规定的波长也取决于每个布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长和这样就形成了所希望的随着时间变化的规定的波长，将其耦合在光纤上和在光纤上传输。
当传输被耦合的随着时间变化的规定的波长时接收装置接收在光纤上产生的由布拉格-光栅反射的光栅特有的布拉格-波长的时间序列和检测这个。因为每个布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长随着作用在光栅上的物理量的改变而变化，被检测的反射的每个光栅的布拉格-波长是在这个光栅地点上的物理量的真正数值的一个尺度。
接收装置可以有宽带光学输入端，其带宽包括所有布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长。这样的宽带输入例如可以由光电二极管实现。
已知实施形式另外的专门实现有一个光发射源用于产生具有一个波长范围的宽带光发射，波长范围在至少一个光纤上同时包括所有布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长。
将这个宽带发射耦合在光纤上和在光纤上传输。因为被传输的发射同时包括所有布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长，产生一个光发射，这个光发射原则上同时包括在光纤上所有布拉格-光栅上反射的光栅特有的布拉格-波长，这与特殊实施形式的专门实现是不同的。
在已知实施形式的另外实现中接收装置接收所有被反射的光栅特有的布拉格-波长和检测它。因为在这里每个布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长也随着作用在光栅上物理量的改变而变化，被检测的反射的每个光栅的布拉格-波长是在这个光栅地点的物理量的真正数值的一个尺度。
这种接收装置必须有能力将同时被接收的反射的光栅特有的布拉格-波长相互分开和由于这个原因需要各自只包括一个波长的窄带的光学输入端。例如这个接收装置可以有一个光谱仪，光谱仪时间连续扫描同时出现的被反射的光栅特有的布拉格-波长。
本发明的任务在于给出了布拉格-光柵-传感装置用于扫描至少一个规定的物理量，这个有至少一个光学传输路径用于传输光发射和至少两个在传输路径上连续排列的具有相互不同光栅特有布拉格-波长的布拉格-光栅和特别是当使用两个或者多个这样的光学传输路径时可以特别便宜地实现。
此任务是通过在权利要求1中规定的特征解决的。
按照这个解决方法按照本发明的布拉格-光栅-传感装置的重要特征包括一个光发射源用于产生光发射，这对于每个布拉格-光栅各自有单独从属于这个光栅的规定的光波波长，这至少几乎取决于这个光栅的光栅特有的布拉格-波长和在只从属于这个光栅的波长范围内单独地随着时间变化，和用于将所有这些随着时间变化的规定的波长在传输路径上同时耦合和用于在这个路径上同时传输。
这个发射源类似于上面叙述的已知的发射源，在其中不同地随着时间变化的规定的光波波长不是同时，而是时间连续地在传输路径上传输在这个路径上耦合，一个可调谐的然而是另外结构的发射源如同这个已知的发射源一样运行。
按照本发明传感装置的这个发射源的特殊优点是，每个规定的光波波长，这包括在这个发射源产生的发射中和各自单独从属于布拉格-光栅，当其随着时间改变时各自必须只通过窄带的波长范围，这相对小于同时包括所有规定的波长的大的波长范围和各自必须只包括布拉格-光栅的光栅特有的布拉格-波长，规定的波长单独从属于布拉格-光栅。
因此在这个发射源中有益的是具有大的连续调谐范围的，包括所有布拉格-光栅所有光栅特有的布拉格-波长的大波长范围的波长扫描器或者法布里-柏罗-滤波器是多余的。
有益的是发射源只需要同时产生所有各自从属于一个布拉格-光栅的规定的光波波长的光源，和后置于这个光源的装置用于将每个波长在各自一个窄的波长范围随着时间改变。有益的是光源可以由便宜的传统宽带光源构成和用于改变每个准备改变的规定的波长的装置各自有一个可调谐的波长扫描器，这个只在各自的窄的波长范围进行调谐和由于这个原因对可调谐性方面可以不提出高的要求和可以是便宜的。例如各个可调谐的波长扫描器可以是由台式振荡器的信号控制的干涉仪的波长扫描器，如同在开始叙述的文献中已知的。
在按照本发明传感装置的特殊优异的结构中光发射源有用于产生具有连续带宽光发射的宽带源，在其中包括所有由发射源准备产生的和单独随着时间准备改变的规定的光波波长，和每个准备产生的规定的波长各自有一个单独可调谐的布拉格-光栅与定义这个规定的波长的光栅特有的布拉格-波长，其中将宽带发射同时输入给所有的布拉格-光栅和所有光栅将其光栅特有的布拉格-波长反射和原则上同时作为由发射源准备产生的规定的波长输出。每个可调谐的布拉格光栅可以通过各自一个压电传感器进行调谐。
由于同时耦合和传输不同的随着时间改变的规定的光波波长在按照本发明的传感装置上将所有光栅特有的布拉格-波长同样原则上同时在各个布拉格-光栅上反射。因此这个装置包括一个接收装置用于接收和检测所有光栅特有的布拉格-波长，将这些当同时传输所有随着时间改变的规定的波长时在传输路径上由布拉格-光栅原则上同时反射。“原则上”的意思是，每个单独从属于一个光栅的规定的光波波长只在属于这个光栅的波长范围内的光学运行时间差和随着时间的改变可以忽略不计。
按照本发明装置的接收装置可以有一个具有窄带光输入的光谱仪，这个将同时出现的被反射的光栅特有的布拉格-波长进行时间连续地扫描。
按照本发明传感装置的特殊优点可以从这个装置发射源的新工作原理看出，按照这个新的工作原理在发射源产生的光发射中同时包括的规定的波长是单独随着时间变化的。这个单独的变化提供了可能性，在发射源产生的光发射的和在至少一个光学传输路径上耦合的光发射的至少两个相互不同的规定的光波波长具有相互不同的频率随着时间改变。
由一个布拉格-光栅反射的光栅特有的布拉格-波长出现有益的具有频率，用这个频率从属于这个光栅的和在光学传输路径上耦合的规定的光波波长在有关的窄带波长范围内随着时间变化。如果从属于两个不同布拉格-光栅的两个规定的波长随着相互不同的频率变化，则由这些光栅反射的光栅特有的布拉格-波长也出现具有相互不同的频率和则可以变得相互不同。
这种区别方法的优点是，按照本发明传感装置的接收装置可以有具有带宽的宽带光学输入，这个带宽包括所有用不同频率出现的光栅特有的布拉格-波长。这种宽带输入可以优异的用传统的光敏检测器实现和因此是便宜的。特别是在具有两个或者多个光学传输路径的传感装置上这个的优点是，因为每个传输路径各自只存在一个便宜的宽带光学输入和不必要有贵重的光谱仪。
为了可以区别具有相互不同频率的被反射的光栅特有的布拉格-波长，接收装置有将具有相互不同频率的被反射的光栅特有的布拉格-波长频率适当地分开的装置，这个可以用传统的和便宜的电子装置实现。
按照本发明的传感装置的其他优点与传统的装置比较在于比较高的扫描率，传统装置有一个可调谐的光发射源用于产生规定的光波波长，将这些时间连续地在光学传输路径上耦合。
在以下的叙述中借助于附图示范性地详细叙述本发明。附图表示附
图1按照本发明装置实施例的电路框图，附图2按照附图1例子的光发射源产生的光发射的光谱，和附图3按照本发明装置的光发射源实施例的电路框图。
一个示范性的布拉格-光栅-传感装置用于扫描至少一个规定的物理量X，为了各自传输光发射有M(M＝1，2，3…)光学传输路径1，每个例如是由一个光纤构成的。
在每个传输路径1上各自先后安排了N(N＝2，3，…)布拉格-光栅11，12，…1N具有相互不同的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…或者λN。
每个光栅11，12，…或者1N的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…或者λN依赖于作用在光栅11，12，…或者1N上的物理量X的改变ΔX而变化。
如果每个光栅11，12，…或者1N的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…或者λN是包括在传输路径1传输的发射中，这些波长λ1，λ2，…或者λN被这些光栅11，12，…或者1N单独反射。
光发射源2产生具有附图2表示的光谱的光发射，在其中将发射P的强度I画在波长λ上。
按照附图2发射P同时有数目为N的谱线，每个位于一个另外的与N相互不同的规定的光波波长λ01，λ02，…λ0N傍边和由每个窄带的强度曲线100代表。
在发射P上同时存在N个规定的波长λ01，λ02，…λ0N是各自单独从属于一个布拉格-光栅11，12，…或者1N的和至少几乎取决于这个光栅11，12，…或者1N的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…或者λN和只在从属于这个光栅11，12，…或者1N的波长范围Δλ01，Δλ02，…或者Δλ0N内单独随着时间变化。
每个波长范围Δλ01，Δλ02，…或者Δλ0N是这样选择的，波长范围除了各自规定的波长λ01，λ02，…或者λ0N之外包括依赖于物理量X的变化ΔX而变化的各个布拉格-光栅11，12，…或者1N的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…或者λN，这个波长范围Δλ01，Δλ02，…或者Δλ0N是从属于各个布拉格-光栅的，则光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…或者λN是由这个光栅11，12，…或者1N反射的，如果它在这个波长范围Δλ01，Δλ02， …或者Δλ0N内变化时。
如果发射P的所有N不同的规定的光波波长Δλ01，Δλ02，…Δλ0N用相互不同的频率ω1，ω2，…ωN随着时间变化时，则规定的波长λ01，λ02，…或者λ0N用其他的频率ω1，ω2，…ωN单独地随着时间变化。
附图3示范性地表示了按照附图1传感装置的光发射源2的特别优异的实施形式。按照附图3发射源2有用于产生具有连续带宽Δλ0的光发射P0的宽带源22，在其中包括了所有由发射源2准备产生的和单独随着时间准备改变的规定的光波波长λ01，λ02，…λ0N。每个准备产生的规定的波长λ01，λ02，…或者λ0N各自存在一个可单独调谐的布拉格-光栅221，222，…或者22N具有定义规定的波长λ01，λ02，…或者λ0N的光栅特有的布拉格-波长。将发射源22的宽带发射P0全部同时输入给布拉格-光栅221，222，…22N和所有光栅221，222，…22N将其光栅特有的布拉格-波长反射和将这些同时作为由发射源2准备产生的规定的波长λ01，λ02，…λ0N输出。
由这种可调谐的布拉格-光栅221，222，…或者22N产生的规定的光波波长λ01，λ02，…λ0N可以通过这个光栅221，222，…或者22N的调谐随着时间变化。
每个可调谐的布拉格-光栅221，222，…或者22N可以各自通过压电传感器231，232，…23N进行调谐，压电传感器例如可以各自由一个电压的电控制信号U1，U2，…UN控制。如果控制信号U1，U2，…或者UN随着频率ω1，ω2，…或者ωN波动，由属于这个信号U1，U2，…或者UN的可调谐的布拉格-光栅221，222，…或者22N产生的规定的光波波长λ01，λ02，…或者λ0N用这个频率ω1，ω2，…或者ωN随着时间变化。
由可调谐的布拉格-光栅221，222，…或者22N产生的和与宽带源22方向相反反射的规定的光波波长λ01，λ02，…或者λ0N可以从发射源22产生的被输入的发射P0的光路上借助于光学耦合器201，202，…或者20N进行耦合，有益的是光学耦合器可以是简单的2×2耦合器。
示范性地将每个宽带源22构成在各自一个光纤220上，在其中将由宽带源22产生的发射P0的一个发射部分进行耦合，将这个发射部分在光纤220上输入给光栅221，222，…或者22N，和将由光栅221，222，…或者22N产生的规定的波长λ01，λ02，…或者λ0N被安排在光纤220上的耦合器201，202，…20N从光纤220上脱耦。
与按照本发明传感装置的发射源2的专门结构无关将发射源2同时在每个传输路径1上产生的随着时间变化的规定的波长λ01，λ02，…λ0N为了同时在这个路径1上传输进行耦合。
如果示范性地和如同在附图1上表示的存在M＞1传输路径1时，耦合是通过光学功率分配器20进行的，将功率分配器可以看作是发射源2的组成部分，将发射P输入给功率分配器和功率分配器将发射P分成为M发射部分P1，P2，…PM。每个发射部分P1，P2，…或者PM同时包括所有的单独随着时间变化的规定的波长λ01，λ02，…λ0N和在各自一个和只在M传输路径1中的这个上进行耦合。示范性地将发射P分成为具有各自强度为I/M的M同样的发射部分P1，P2，…PM。
将传输路径1上由布拉格-光栅11，12，…1N反射的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…λN在路径1上反馈到发射源2的方向和遇到安排在路径1上用于将这些波长λ1，λ2，…λN从路径1上脱耦的光学耦合器10和原则上同时将这些波长λ1，λ2，…λN输入给用于接收和检测所有波长λ1，λ2，…λN的接收装置3的光学输入端30。例如可以用简单的方法由2×2-耦合器实现光学耦合器10。
当存在多个传输路径1时在每个路径上各自安排了一个光学耦合器10，接收装置3的各自一个光学输入端30从属于这个光学耦合器，将路径1上反射的和由耦合器10脱耦的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…λN原则上同时输入给光学输入端。
如果存在多个传输路径1时，在传输路径1上的布拉格-光栅11，12，…1N的数目N可以与不同路径1上的相同或者不同。同样光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…λN对于不同的路径也可以相同或者不同。
接收装置3是这样构成的，接收装置将每个输入端30原则上同时接收的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…λN进行检测，这些是在同时传输所有随着时间变化的规定的波长λ01，λ02，…λ0N时在有关的传输路径1上由这个路径1的布拉格-光栅11，12，…1N原则上同时反射的。
为此接收装置3有一个装置31，在其上将被反射的光柵特有的布拉格-波长λ1，λ2，…λN频率适当地分开，每个用各自一个另外的频率ω1，ω2，…或者ωN出现和通过这个频率ω1，ω2，…或者ωN明确的编码。将这些被编码的波长λ1，λ2，…λN频率适当地分开可以用传统的装置例如用频率滤波器进行。
可以用传统方法将每个被分开的编码的波长λ1，λ2，…λN单个地相位检测和因此在布拉格-光栅的位置上确定了物理量X的数值，这些被编码的波长从属于布拉格-光栅。通过将确定的物理量X的这个数值与这个量的恒定数值进行比较可以在布拉格-光栅位置上确定这个量X的变化ΔX。用于单个相位检测的装置例如可以是N-信道-相位检测器，这个例如是装置31的组成部分的，在其中也将被编码的波长λ1，λ2，…λN频率适当地分开。
可以将光发射源2的一个控制信号或者将具有两个或者多个布拉格-光栅的不同的光栅特有的布拉格-波长的一个光学传输路径，例如在附图1上的M-传输路径1中的一个或者多个光学传输路径用于确定参考值。
例如用于确定光发射源2参考值的控制信号可以是N-信道-相位参考信号300，例如这是由装置31中的N-信道-相位检测器输出的和输入给控制装置21用于控制光发射源2。
当传感装置用于温度测量时可以将用于确定参考值所使用的具有布拉格-光栅的光学传输路径与发射源处于温度平衡。例如在拉应力或者弹性测量时具有布拉格-光栅的传感装置的每个光学传输路径各自处于与这个路径平行的具有布拉格-光栅的光学传输路径上，这个光学传输路径是用于确定参考值使用的和机械不受力的。这使得拉伸和温度的脱耦成为可能和检测由于拉伸产生的光栅特有的布拉格-波长的位移成为可能。
每个光学输入端30可以是具有带宽的宽带输入端，这包括所有用相互不同频率ω1，ω2，…ωN出现的被反射的光栅特有的布拉格-波长λ1，λ2，…λN。这种宽带的输入端30可以通过光敏检测器例如光电二极管构成。
权利要求
1.用于扫描至少一个规定的物理量(X)的布拉格-光栅-传感装置，具有-至少一个光学传输路径(1)用于传输光发射(P)，-至少两个在光学传输路径(1)上连续排列的具有相互不同的光栅特有的布拉格-波长(λ1，λ2，…或者λN)的布拉格-光栅(11，12，…1N)，其中每个光栅(11，12，…1N)的光栅特有的布拉格-波长(λ1，λ2，…或者λN)依赖于作用在光栅(11，12，…1N)上的物理量(X)的改变(ΔX)而变化，如果这个物理量是包括在传输路径(1)上的被传输的发射(P)中和被这个光栅单独反射，-一个光发射源(2)用于产生光发射(P)，每个布拉格-光栅(11，12，…或者1N)的光发射有各自单独从属于光栅(11，12，…或者1N)的规定的光波波长(Δλ01，Δλ02，…或者λ0N)，这些至少几乎取决于光栅(11，12，…或者1N)的光栅特有的布拉格-波长(λ1，λ2，…λN)和在只从属于这个光栅(11，12，…或者1N)的波长范围(Δλ01，Δλ02，…或者Δλ0N)内单独地随着时间变化，和用于将所有随着时间变化的规定的波长(λ01，λ02，…λ0N)在传输路径(1)上同时耦合用于在这个路径(1)上同时传输，和-一个接收装置(3)用于接收和检测所有的布拉格-波长(λ1，λ2，…λN)，这些当同时传输所有随着时间改变的规定的波长(λ01，λ02，…λ0N)时在传输路径(1)上被布拉格-光栅(11，12，…1N)原则上同时反射。
2.按照权利要求1的传感装置，在其中光发射源(2)有一个宽带源(22)用于产生具有连续带宽(Δλ0)的光发射(P0)，在其中包括所有由发射源(2)准备产生的和单独地随着时间准备变化的规定的光波波长(λ01，λ02，…λ0N)，和每个准备产生的规定的波长(λ01，λ02，…或者λ0N)各自有可单独调谐的布拉格-光栅(221，222，…或者22N)具有定义这些规定的波长(λ01，λ02，…或者λ0N)的光栅特有的布拉格-波长，此时将宽带发射(P0)全部同时输入给这些布拉格-光栅(221，222，…22N)和所有光栅(221，222，…22N)将其光栅特有的布拉格-波长反射和原则上与由发射源(2)准备产生的规定的波长(λ01，λ02，…λ0N)同时输出。
3.按照权利要求1或2的传感装置，在其中，由发射源(2)产生的和在至少一个光学传输路径(1)上准备耦合的光发射(P)上的至少两个相互不同的规定的光波波长(λ01，λ02，…λ0N)用相互不同的频率(ω1，ω2，…ωN)随着时间变化。
4.按照权利要求3的传感装置，在其中，接收装置(3)有具有带宽(Δλ)的宽带光学输λ端(30)，这包括用相互不同的频率(ω1，ω2，…ωN)出现的被反射的光栅特有的布拉格-波长(λ1，λ2，…λN)，和有一个装置(31)用于将这些被反射的光栅特有的布拉格-波长(λ1，λ2，…λN)频率适当地分开。
全文摘要
布拉格－光栅－传感装置有多个在一个光纤(1)上连续排列的具有相互不同布拉格－波长(λi)的布拉格－光栅(1i,i=1,2,…N)。在光纤上将几乎取决于这些布拉格－波长的波长(λ0i),这些用相互不同的频率(ωi)单独变化,同时传输到光栅上和光栅原则上同时将被光栅反射的频率编码的布拉格－波长频率适当地分开和相位检测。优点:便宜,特别是在多个光纤上。
文档编号G01L1/24GK1335931SQ99816341
公开日2002年2月13日 申请日期1999年12月9日 优先权日1998年12月23日
发明者M·贝赫托尔德, P·克雷默 申请人:西门子公司