專利名稱：用于監(jiān)測具有定向軸線的可旋轉(zhuǎn)軸的光學裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測具有定向軸線的可旋轉(zhuǎn)軸的光學裝置。
背景技術(shù)：
在對例如驅(qū)動軸和發(fā)電機軸的可旋轉(zhuǎn)零件上的溫度和膨脹的測量越來越 具有意義，因為由于不斷提高的功率要求，這些零件在直至其載荷極限下運行。 通常，為此使用常規(guī)的電子溫度傳感器(例如熱電偶)和電子膨脹傳感器(例 如壓電傳感器)。在此，必須首先將軸上的傳感器信號進行調(diào)整。這通常以特定 的測量放大器進行。通過無線傳送或紅外傳送，將經(jīng)此調(diào)整的測量信號從軸發(fā) 送到相對于軸固定地布置的發(fā)送/接收單元上。為此，總是必須向軸提供輔助能 量，以能夠驅(qū)動布置在軸上的電子部件。這例如可通過電池或也通過電感性傳 送器實現(xiàn)。總之，對此需要大成本。因為在快速旋轉(zhuǎn)的軸中可能出現(xiàn)非常高的 離心力，所以相應(yīng)的電子部件必須適應(yīng)此極端條件。電子部件通常被封裝。
已知的是，作為電子傳感器的替代，將基于光波導的光傳感器，例如FBG 傳感器(FBG:光纖布拉格光柵)用于快速旋轉(zhuǎn)零件上的此類測量。在此，在 位置固定地布置的光發(fā)送/接收單元和旋轉(zhuǎn)的軸之間的耦合和解耦合被證明是 十分困難的。為此，例如在軸線上布置在旋轉(zhuǎn)的軸的端側(cè)上的光傳送器是特別 合適的，該傳送器通過兩個準直儀將光信號在相對于軸位置固定地布置的發(fā)送/ 接收單元和布置在旋轉(zhuǎn)的軸上的光波導之間傳送。在此，兩個準直儀布置在一 個共同的殼體內(nèi)，該殼體構(gòu)造有旋轉(zhuǎn)固定的部分和可旋轉(zhuǎn)的部分。然而，此類 光傳送器不適合于對其端側(cè)不可接近的軸進行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要求解決的技術(shù)問題是給出用于監(jiān)測可旋轉(zhuǎn)軸的光學裝置，該光 學裝置是耐用的且可以通用地沿軸使用。
根據(jù)本發(fā)明，此技術(shù)問題以權(quán)利要求l中給出的特征解決。
4根據(jù)本發(fā)明的光學裝置是一種用于監(jiān)測具有定向軸線的可旋轉(zhuǎn)軸的光學
裝置，包括
-至少一個布置在可旋轉(zhuǎn)軸上的具有至少一個光傳感器的光波導，可以借 助于光信號通過所述光波導查詢所述至少一個光傳感器，
-關(guān)于可旋轉(zhuǎn)軸固定地布置的發(fā)送/接收單元，通過該發(fā)送/接收單元可發(fā) 出所述光信號，
-傳送裝置，可利用該傳送裝置將光信號在位置固定地布置的發(fā)送/接收單 元和布置在可旋轉(zhuǎn)軸上的光波導之間傳送，和
-為所述發(fā)送/接收單元配設(shè)的估值單元，該估值單元用于確定來自至少一 個光傳感器且通過傳送裝置傳送的光信號中的物理量，
其中
傳送裝置具有
-至少一個關(guān)于可旋轉(zhuǎn)軸位置固定地布置且為發(fā)送/接收單元配設(shè)并帶有 相關(guān)的耦合裝置的"多模"光波導，和
-在可旋轉(zhuǎn)軸上偏心于軸線地布置且與至少一個光波導連接并帶有相關(guān) 的耦合裝置的至少一個另外的"多模"光波導，和
光信號可通過耦合裝置在"多模"光波導之間傳送。
通過將所述另外的"多模"波導和相關(guān)的耦合裝置偏心地安裝到可旋轉(zhuǎn)軸 上，使得光信號能夠僅通過自由輻射耦合在布置在軸上的耦合裝置和位置固定 地布置的耦合裝置之間傳送。在此，在軸旋轉(zhuǎn)時，光信號僅在一個短的時間窗 口內(nèi)在耦合裝置之間耦合通過。因為傳送裝置具有"多模"波導，所以保證在 光信號在耦合裝置之間傳送時不發(fā)生耦合損失。通過兩次經(jīng)過耦合路徑，即兩 個耦合裝置之間的路徑，在測量中例如在使用"單模"光波導而非"多模"光 波導時出現(xiàn)了很高的耦合損失，這使得幾乎不能進行可靠的測量。此外，與"單 模"光波導相比，"多模"光波導的自由輻射耦合在校正上明顯更廉價且對于去 校正不敏感。待確定的物理量特別是軸的溫度和/或膨脹。
根據(jù)本發(fā)明的光學裝置的優(yōu)點由權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求給出。 因此，有利的是所述至少一個光傳感器是至少一個FBG傳感器，且所述 至少一個光波導是至少一個"單模，，波導。FBG傳感器允許在軸上進行幾乎點 狀的即局部很窄地限定邊界的溫度和/或膨脹測量。與此相對，基本上也可使用的根據(jù)布里淵(Brillouin)原理或拉曼(Raman)原理的光傳感器通常具有一定 的局部積分效果，例如可達到數(shù)米。因而此類光傳感器幾乎不能實現(xiàn)點狀測量， 即尤其是將測量位置局部地限制在數(shù)毫米。然而，這可以通過FBG傳感器容易 地實現(xiàn)。對此，在FBG傳感器中，從輸入的光信號中將通過各布拉格波長(焦 點波長，德語Schwerpunktwellenlange)確定的成分反射回來。布拉格波長隨 著在測量位置上存在的作用量而變化，在此作用量尤其是在FBG傳感器位置處 的軸的溫度和/或膨脹。各反射回的(部分)光信號的波長成分(波長頻譜)變 化可用作對于待測作用量(溫度和/或膨脹)的表征。為借助于光信號查詢FBG 傳感器而使用寬帶光源，該寬帶光源例如是帶寬為大約45nm的LED、帶寬為 大約20 nm的SLD、或帶寬為大約100nm的可調(diào)諧激光器。
在此，有利的是將多個FBG傳感器設(shè)在沿至少一個"單模，，光波導的不 同位置處。也有利的是將至少一個布置在可旋轉(zhuǎn)軸上的"多模"波導與多個"單 模"光波導連接。因此， 一方面可確定位置分辨的溫度和/或膨脹分布，且另一 方面在點狀事件下，例如突然的限制在局部上的溫度升高和/或膨脹時可精確限 定時間位置。在此，分辨率僅由各FBG傳感器的相互間距確定。
有利的是FBG傳感器具有相互不同的布拉格波長。如果利用根據(jù)本發(fā)明 的光學裝置使用所謂的波長多路復用方法，則通?？梢栽谝徊▽?nèi)前后相繼布 置直至IO個FBG傳感器。由發(fā)送/接收單元輸入"多沖莫"波導內(nèi)的光信號為此 必須具有覆蓋所有布拉格波長的波長范圍。如果另 一方面作為波長多路復用方 法的替代使用所謂的時間多路復用方法(OFDR:光頻域反射測量術(shù))，則在一 個光波導上可布置幾乎無限多個FBG傳感器。在此，傳感器即使在布拉格波長 相同的情況下也在空間上不同。
即從380 nm至780 nm，和/或具有近紅外波長(NIR)范圍內(nèi)的波長，即從780 nm至2500 nm。
有利的是，可由發(fā)送/接收單元發(fā)出的光信號是至少一個光脈沖。有利的是， 以軸的旋轉(zhuǎn)觸發(fā)光信號的發(fā)出。因此，僅在需要時才發(fā)出且再次接收光信號。 在此，發(fā)送/接收單元以節(jié)能的方式工作，且在此同時具有較長的運行持續(xù)時間。
有利的是，估值單元具有帶有至少一個CCD列的光譜分析儀。但也有利 的是，估值單元具有帶有至少 一個圖像檢測器的至少 一個補償?shù)倪吘夁^濾器。該估值單元的此構(gòu)造與剛剛提及的情況相比廉價地實現(xiàn)。


現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細解釋本發(fā)明的方法和設(shè)備的優(yōu)選、但絕非限制性的實施
例。為清楚起見，附圖并未按比例繪出且將一定的特征示意性地示出。各圖為 圖l示出了一種用于借助"單模"波導內(nèi)的光傳感器監(jiān)測可旋轉(zhuǎn)軸的光學
裝置，
圖2示出了一種用于借助多個"單模"波導內(nèi)的光傳感器監(jiān)測可旋轉(zhuǎn)軸的 光學裝置，
圖3示出了穿過"多模"波導與多個"單模"導體的接觸面的橫截面，
圖4示出了穿過"多模"波導與與圖3相比外徑增大了的多個"單模"波 導的接觸面的橫截面，
圖5示出了帶有徑向定向的耦合路徑和曲折地布置的"單模"波導的一種 用于監(jiān)測可旋轉(zhuǎn)軸的光學裝置，
圖6示出了帶有布置在軸上的用于偏轉(zhuǎn)耦合路徑的裝置的一種用于監(jiān)測可 旋轉(zhuǎn)軸的光學裝置，和
圖7示出了帶有位置固定地布置的用于偏轉(zhuǎn)耦合路徑的裝置的一種用于監(jiān) 測可旋轉(zhuǎn)軸的光學裝置。
具體實施例方式
在圖1至圖7中，相互對應(yīng)的零件具有相同的附圖標記。 在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的用于監(jiān)測軸10的光學裝置，特別是用于監(jiān) 測與機器或發(fā)電機連接的且可旋轉(zhuǎn)地支承的軸的光學裝置。軸IO在此可以圍繞 其定向的軸線13旋轉(zhuǎn)。軸10的端側(cè)以12表示。在軸10的外表面11上和/或 內(nèi)布置了帶有光傳感器的光波導20以用于測量軸10的溫度和/或膨脹。如在圖 1中示出，傳感器21是處于(eingeschrieben )"單模"光波導20內(nèi)的FBG傳 感器21。在具有多個FBG傳感器21時，每個單獨的傳感器21可以具有與其 余的傳感器不同的特定的焦點波長，即所謂的布拉格波長。FBG傳感器21由 寬帶光源41、特別是SLD (超輻射發(fā)光二極管)所產(chǎn)生的光信號LS查詢。光 源41在此是位置固定地布置的發(fā)送/接收單元40的部分。光源信號由此位置固
7定地布置的發(fā)送/接收單元40產(chǎn)生，并通過傳送裝置輸入設(shè)有FBG傳感器21 的"單模"波導內(nèi)。在每個FBG傳感器21內(nèi)，從輸入的光信號LS反射回來 帶有有關(guān)布拉格波長的成分作為部分反射光信號。而光信號LS的剩余成分通 過相關(guān)的FBG傳感器21且必要時到達下一個FBG傳感器21。在發(fā)送/接收單 元40處由FBG傳感器21反射的光信號LS'排列等待處理，該光信號LS'由各 FBG傳感器21的部分反射光信號組成。
來自FBG傳感器21而再次輸入發(fā)送/接收單元40內(nèi)的光信號LS'由光耦合 器42引導到估值單元43。該估值單元43尤其包括光電轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和 數(shù)字信號處理器(在圖中未示出)。光轉(zhuǎn)換器有利地具有光譜選擇元件以用于選 擇單個的部分反射信號，所述光譜選擇元件例如形式為帶有至少一個CCD列的 光譜分析儀。對此作為替代，光電轉(zhuǎn)換器可具有帶有至少一個光電探測器的至 少一個補償?shù)倪吘夁^濾器。在光電轉(zhuǎn)換后，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化的輸出信號提供給數(shù)字信號處理器，通過該數(shù)字信號處理
器確定對于FBG傳感器21內(nèi)測量的溫度和/或膨脹的測量值Ml、 M2...。
光源41 、光耦合器42和估值單元43組合在發(fā)送/接收單元40內(nèi)。但它們 的子單元或零件也可以結(jié)構(gòu)上相互分開地形成，即不構(gòu)造為整體的發(fā)送/接收單 元40。此外，也可僅進行純粹的模擬估值，例如通過固定布線的電子電路進行。 如果不具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則估值單元43通過模擬技術(shù)實現(xiàn)。
傳送裝置用于將從發(fā)送/接收單元40發(fā)出的和再次接收的光信號LS和LS' 在位置固定地布置的發(fā)送/接收單元40和隨軸10旋轉(zhuǎn)的"單模"波導20之間 傳送。傳送裝置因此包括位置固定的為發(fā)送/接收單元40配設(shè)的部分和布置在 可旋轉(zhuǎn)軸IO上的部分。位置固定的部分包括與發(fā)送/接收單元40連接并帶有第 一耦合裝置30K的"多模"光波導30，該第一耦合裝置30K尤其是準直儀。 在另一側(cè)，傳送器的布置在可旋轉(zhuǎn)軸IO上的部分包括與"單模"波導20連接 并帶有朝向第一耦合裝置30K的第二耦合裝置31K的"多模"波導31，該耦 合裝置31K也尤其是準直儀。在"多模"波導31和"單模"波導20之間的連 4妄通過兩個波導20和31的相互面對的端側(cè)實現(xiàn)。
由發(fā)送/接收單元40發(fā)出的光信號LS因此通過第一 "多模"波導30到達 第一耦合裝置31K,當兩個耦合裝置30K和31K相互面對時該第一耦合裝置 31K優(yōu)選地將光信號LS幾乎無損失地準直地向第二耦合裝置31K傳送。在兩
8個耦合裝置之間保留的路徑以S表示。光信號LS從第二耦合裝置31K通過第 二 "多模"波導31到達"單模"波導20內(nèi)，在波導20內(nèi)可通過光信號LS查 詢FBG傳感器21。由FBG傳感器21反射的光信號LS'則在相反的路徑上再次 回到發(fā)送/接收單元40而用于估值。
有利地，發(fā)送/接收單元40且因此光源41和必要時還有估值單元43被脈 沖地驅(qū)動，使得光信號LS以光脈沖的形式發(fā)出。光脈沖的發(fā)出優(yōu)選與軸的旋 轉(zhuǎn)同步地進行，使得僅在兩個耦合裝置30K和31K適合于傳送地對置時的時間 窗口內(nèi)發(fā)出光脈沖。在此，發(fā)送/接收單元40例如可以由用于確定軸10的轉(zhuǎn)速 的裝置觸發(fā)地驅(qū)動。
在圖2中示出的根據(jù)本發(fā)明的光學裝置的實施例與圖1中的光學裝置的不 同之處僅在于將多個(在此為三個)"單模，，波導20與"多模"波導31連接。 以此可實現(xiàn)覆蓋(外)表面的傳感器布置，使得軸10的溫度和/或膨脹可以位 置分辨地確定。
在圖3中描繪了圖2中劃出的橫截面線III的橫截面。在此橫截面走向通 過"多模，，波導31和"單模，，波導20的端側(cè)接觸面。七個"單模，，波導20 在此組合為束，使其橫截面布置為最緊密的輪廓。"多模"波導31的外部區(qū)域 示出了波導外套312，該外套312將波導芯311包圍。此外，類似地，"單沖莫" 波導20也以波導外套202和波導芯201構(gòu)成。需要注意的是，在"單模"波導 20中波導芯201與波導外套202的比例明顯小于在"多模"波導31中波導芯 311與波導外套312的關(guān)系。為使光信號LS、 LS'能在"多模"波導31和"單 模，，波導20之間傳送，"單模"波導20的波導芯201必須位于"多模'，波導 31的波導芯311內(nèi)部。在圖3中繪出的布置中，例如"多模"波導31的芯直 徑為200nm,而單獨的"單模"波導20的外徑為80jim。單獨的"單模'，波 導20的芯直徑通常大約為5Mm。
在圖4中也如圖3描繪了沿圖2中繪出的橫截面線IV的橫截面。然而在 此"單模，，波導20的外徑選擇得更大，使得在此例子中僅三個"單模"波導 20可與"多模，，波導31連接。在此，例如在"多模"波導31的芯直徑為200 H m時，"單模"波導20每個具有125 ju m的外徑。
在圖1和圖2中耦合路徑S總是軸向地定向，即平行于軸線13地定向， 而圖5示出了耦合路徑徑向定向、即垂直于軸線13地定向的實施例。如在圖1"波導31連接。"單模"波導20連 同其數(shù)個FBG傳感器21在此曲折地布置在軸10的外套11上和/或內(nèi)。以這樣 的布置也實現(xiàn)了對軸10的"面覆蓋的"監(jiān)測。當然，也可以類似于圖2將多個 此類的曲折設(shè)置的"單模"波導20與"多模"波導31連接。
在圖6和圖7中分別繪出了耦合路徑S,該耦合路徑S由徑向延伸的部分 Sl和軸向延伸的部分S2組成。光信號LS和LS'在此由反射裝置32、尤其是偏 轉(zhuǎn)棱鏡偏轉(zhuǎn)優(yōu)選90。。以此，各反射裝置32在兩個實施例中是傳送裝置的一 部分。各反射裝置32被固定以保持在為其所提供的支架33、 33a上。
在圖6中，支架33在軸10上靠近第二耦合裝置31K固定。而如圖7所示， 支架33a關(guān)于可旋轉(zhuǎn)軸IO位置固定地布置。此外，可提供支架33a,以用于固 定第一耦
權(quán)利要求
1. 一種用于監(jiān)測具有定向軸線(13)的可旋轉(zhuǎn)軸(10)的光學裝置，所述光學裝置包括-至少一個布置在所述可旋轉(zhuǎn)軸(10)上的設(shè)有至少一個光學傳感器(21)的光波導(20)，可以通過所述光波導(20)借助光信號(LS)查詢所述至少一個光傳感器(21)，-關(guān)于所述可旋轉(zhuǎn)軸(10)固定地布置的發(fā)送/接收單元(40)，可以利用所述發(fā)送/接收單元(40)發(fā)出所述光信號(LS)，-傳送裝置，可以利用所述傳送裝置將所述光信號(LS)在位置固定地布置的所述發(fā)送/接收單元(40)和布置在所述可旋轉(zhuǎn)軸(10)上的所述光波導(20)之間傳送，和-為所述發(fā)送/接收單元(40)配設(shè)的估值單元(43)，所述估值單元(43)用于確定來自所述至少一個光傳感器(21)且通過所述傳送裝置傳送的光信號(LS′)中的物理量，其中所述傳送裝置具有-至少一個關(guān)于所述可旋轉(zhuǎn)軸(10)位置固定地布置且為所述發(fā)送/接收單元(40)配設(shè)并帶有相關(guān)的耦合裝置(30K)的“多?！惫獠▽?30)，和-在所述可旋轉(zhuǎn)軸(10)上偏心于所述軸線(13)地布置且與所述至少一個光波導(20)連接并帶有相關(guān)的耦合裝置(31K)的至少一個另外的“多模”光波導(31)，和所述光信號(LS，LS′)能夠通過所述耦合裝置(30K，31K)在所述“多?！惫獠▽?30，31)之間傳送。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學裝置，其特征在于所述至少一個光傳感器 (21)是至少一個光纖布拉格光柵傳感器，且所述至少一個光波導(20)是至少一個"單模"光波導。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學裝置，其特征在于沿所述至少一個"單模" 光波導(20)在不同位置處有多個所述光纖布拉格光柵傳感器(21)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光學裝置，其特征在于所述至少一個布置在所述可旋轉(zhuǎn)軸(10 )上的"多模"波導(31 )與多個所述"單沖莫"光波導(20 )連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學裝置，其特征在于所述光纖布拉格光 柵傳感器(21)具有相互不同的布拉格波長。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求的一項所述的光學裝置，其特征在于可由所述發(fā)送 /接收裝置(40)發(fā)出的所述光信號(LS)具有在可見光波長范圍內(nèi)和/或近紅 外波長范圍內(nèi)的波長。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求的一項所述的光學裝置，其特征在于可由所述發(fā)送 /接收裝置(40)發(fā)出的所述光信號(LS)是至少一個光脈沖。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求的一項所述的光學裝置，其特征在于所述估值單元 (43 )具有帶有至少一個CCD列的光譜分析儀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7的一項所述的光學裝置，其特征在于所述估值單 元(43)具有帶有至少一個光電探測器的至少一個補償?shù)倪吘夁^濾器。
全文摘要
一種用于監(jiān)測具有定向軸線(13)的可旋轉(zhuǎn)軸(10)的光學裝置。光學裝置具有至少一個布置在可旋轉(zhuǎn)軸(10)上的設(shè)有至少一個光傳感器(21)的光波導(20)，可以通過所述光波導(20)借助光信號(LS)查詢所述至少一個光傳感器(21)。光學裝置還包括相對于可旋轉(zhuǎn)軸(10)位置固定地布置的可發(fā)出光信號(LS)的發(fā)送/接收單元(40)。此外，光學裝置具有可用于在位置固定地布置的發(fā)送/接收單元(40)和布置在可旋轉(zhuǎn)軸(10)上的光波導(20)之間傳送光信號(LS)的傳送裝置，和為發(fā)送/接收單元(40)配設(shè)的用于確定來自至少一個光傳感器(21)且通過傳送裝置傳送的光信號(LS′)中的物理量的估值單元(43)。在此，傳送裝置又具有至少一個關(guān)于可旋轉(zhuǎn)軸(10)位置固定地布置的且為發(fā)送/接收單元(40)配設(shè)并帶有相關(guān)的耦合裝置(30K)的“多模”光波導(30)，和在可旋轉(zhuǎn)軸(10)上偏心于軸線(13)地布置且與至少一個光波導(20)連接并帶有相關(guān)的耦合裝置(31K)的至少一個另外的“多?！惫獠▽?31)。在此，光信號(LS，LS′)可通過耦合裝置(30K，31K)在“多?！惫獠▽?30，31)之間傳送。
文檔編號G01K11/32GK101512288SQ200780033110
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月6日
發(fā)明者托馬斯·博塞爾曼, 邁克爾·威爾希 申請人:西門子公司