DE-102020120533-B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln eines Messwertes

Abstract

Vorrichtung (100), aufweisend: • eine Detektoreinrichtung (102), die eingerichtet ist zum: ◯ Empfangen eines modulierten optischen Signals (104), wobei das modulierte optische Signal (104) eine erste Gruppenlaufzeit aufweist, ◯ Verändern einer Gruppenlaufzeit des empfangenen modulierten optischen Signals (104) in Abhängigkeit eines Parameterwertes von mindestens einem Parameter, so dass das veränderte modulierte optische Signal eine von der ersten Gruppenlaufzeit verschiedene zweite Gruppenlaufzeit aufweist, und ◯ Bereitstellen eines elektrischen Signals (108) für das veränderte modulierte optische Signal, wobei das elektrische Signal (108) eine elektrische Phase aufweist; und • eine Auswerteeinrichtung (110), die eingerichtet ist zum Erfassen der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) und zum Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der erfassten elektrischen Phase des elektrischen Signals (108).

Inventors

• Niels Neumann
• Ulrich Nordmeyer
• Dirk Plettemeier

Assignees

• Technische Universität Dresden

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20200804

Claims (15)

1. Vorrichtung (100), aufweisend: • eine Detektoreinrichtung (102), die eingerichtet ist zum: ◯ Empfangen eines modulierten optischen Signals (104), wobei das modulierte optische Signal (104) eine erste Gruppenlaufzeit aufweist, ◯ Verändern einer Gruppenlaufzeit des empfangenen modulierten optischen Signals (104) in Abhängigkeit eines Parameterwertes von mindestens einem Parameter, so dass das veränderte modulierte optische Signal eine von der ersten Gruppenlaufzeit verschiedene zweite Gruppenlaufzeit aufweist, und ◯ Bereitstellen eines elektrischen Signals (108) für das veränderte modulierte optische Signal, wobei das elektrische Signal (108) eine elektrische Phase aufweist; und • eine Auswerteeinrichtung (110), die eingerichtet ist zum Erfassen der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) und zum Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der erfassten elektrischen Phase des elektrischen Signals (108).
2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 , wobei die Detektoreinrichtung (102) aufweist: • eine Signal-Beeinflussungs-Einrichtung, die eingerichtet ist zum: ◯ Empfangen des modulierten optischen Signals (104), o Verändern der Gruppenlaufzeit des empfangenen modulierten optischen Signals in Abhängigkeit eines Parameterwertes des mindestens einen Parameters; und • einen optischen Detektor, der eingerichtet ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals (108) für das veränderte modulierte optische Signal.
3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2 , wobei die Signal-Beeinflussungs-Einrichtung derart eingerichtet ist, dass das Verändern der Gruppenlaufzeit des empfangenen modulierten optischen Signals in Abhängigkeit eines Parameterwertes des mindestens einen Parameters aufweist: • Übertragen des modulierten optischen Signals (104), wobei Übertragungseigenschaften der Signal-Beeinflussungs-Einrichtung eine von einem Parameterwert des mindestens einen Parameters abhängige Gruppenlaufzeitkennlinie aufweisen.
4. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2 oder 3 , wobei der optische Detektor eine Photodiode aufweist.
5. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei der mindestens eine Parameter ein physikalischer Parameter und/oder ein chemischer Parameter ist.
6. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der mindestens eine Parameter ein oder mehrere Parameter aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: • einer Temperatur; • einer Feuchtigkeit; • einem pH-Wert; • einer elektrischen Leitfähigkeit; • einer Wärmeleitfähigkeit; • einer biologischen Substanz; • einer chemischen Substanz; • einer Dehnung; • einem Druck; • einem elektrischen Feld; und/oder • einem magnetischen Feld.
7. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 , ferner aufweisend: eine Modulationseinrichtung, die eingerichtet ist zum Erzeugen des modulierten optischen Signals (104) für ein optisches Signal.
8. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7 , wobei die Modulationseinrichtung eingerichtet ist, um das modulierte optische Signal (104) mittels Modulation des optischen Signals mit einem elektrischen Modulationssignal zu erzeugen.
9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7 oder 8 , ferner aufweisend: eine Licht-Erzeugungs-Einrichtung, die eingerichtet ist zum Erzeugen des optischen Signals.
10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 , wobei die Auswerteeinrichtung (110) eine Signalkonditionierungs-Einrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um ein verstärktes elektrisches Signal für das elektrische Signal bereitzustellen, und wobei die Auswerteeinrichtung (110) ferner derart eingerichtet ist, dass das Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) ein Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der elektrischen Phase des verstärkten elektrischen Signals aufweist.
11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 , wobei die Auswerteeinrichtung (110) ferner derart eingerichtet ist, dass das Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) aufweist: • Ermitteln einer Phasendifferenz zwischen der elektrischen Phase des elektrischen Signals und einer elektrischen Phase eines Referenzsignals; und • Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der ermittelten Phasendifferenz.
12. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 , wobei die Auswerteeinrichtung (110) einen Lokaloszillator aufweist, der eingerichtet ist zum Bereitstellen eines Lokaloszillator-Signals; und wobei die Auswerteeinrichtung (110) ferner derart eingerichtet ist, dass das Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) aufweist: • Ermitteln einer Phasendifferenz durch Vergleichen der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) mit einer elektrischen Phase des Lokaloszillator-Signals; und • Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der ermittelten Phasendifferenz.
13. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 , wobei die Auswerteeinrichtung (110) einen Analog-Digital-Wandler aufweist, der eingerichtet ist, um eine digitale Signalrepräsentation für das elektrische Signal (108) bereitzustellen; und wobei die Auswerteeinrichtung (110) ferner derart eingerichtet ist, dass das Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) aufweist: • Ermitteln einer Modulationsfrequenz unter Verwendung des digitalen Signals; • Ermitteln der elektrischen Phase unter Verwendung des digitalen Signals; • Ermitteln einer Phasendifferenz unter Verwendung der ermittelten Modulationsfrequenz und der ermittelten elektrischen Phase; und • Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der ermittelten Phasendifferenz.
14. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 13 , wobei die Auswerteeinrichtung (110) ferner eingerichtet ist, um das digitale Signal mittels ein oder mehrerer Zeitbereichsfilter und/oder mittels ein oder mehrerer Frequenzbereichsfilter abzutasten; und wobei die Auswerteeinrichtung (110) ferner derart eingerichtet ist, dass das Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung der elektrischen Phase des elektrischen Signals (108) ein Ermitteln des Parameterwertes (112) des mindestens einen Parameters unter Verwendung des abgetasteten digitalen Signals aufweist.
15. Verfahren (300), aufweisend: • Empfangen eines modulierten optischen Signals, wobei das modulierte optische Signal eine erste Gruppenlaufzeit aufweist; • Verändern einer Gruppenlaufzeit des empfangenen modulierten optischen Signals in Abhängigkeit eines Parameterwertes von mindestens einem Parameter, so dass das veränderte modulierte optische Signal eine von der ersten Gruppenlaufzeit verschiedene zweite Gruppenlaufzeit aufweist; • Bereitstellen eines elektrischen Signals für das veränderte modulierte optische Signal, wobei das elektrische Signal eine elektrische Phase aufweist; • Erfassen der elektrischen Phase des elektrischen Signals; und • Ermitteln des Parameterwertes des mindestens einen Parameters unter Verwendung der erfassten elektrischen Phase des elektrischen Signals.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Messwertes. Im Allgemeinen können optische Sensoren verwendet werden, um verschiedene Messgrößen, wie beispielsweise eine Temperatur, eine Dehnung, eine Luftfeuchtigkeit, etc., zu detektieren. Zum Beispiel kann ein optischer Sensor ein optisches Signal in Abhängigkeit eines Wertes der Messgröße verändern und das veränderte optische Signal kann ausgewertet werden, um den Wert der Messgröße zu ermitteln. Hierbei kann beispielsweise die optische Phase des optischen Signals oder nach einer opto-elektrischen Wandlung die Amplitude des elektrischen Signals ausgewertet werden. Allerdings erfordert die Auswertung der optischen Phase einen kostenaufwändigen Empfänger (z.B. einen homodynen oder heterodynen Empfänger). Ferner ist die Auswertung der optischen Phase anfällig für schon sehr geringe Längenänderungen der Messanordnung (d.h. zum Beispiel von weniger als 1 µm), was zu größeren Ungenauigkeiten führt. Verschiedene Störungen, wie beispielsweise Rauschen und Drift, führen zu Änderungen der Amplitude des Signals und damit zu größeren Ungenauigkeiten bei der Auswertung der Amplitude des Signals. Die Amplitude des Signals wird zum Beispiel von Leistungsschwankungen der Quelle des optischen Signals, Änderungen der Dämpfung der optischen Bauteile, Arbeitspunktverschiebungen eines Sende- und/oder Empfangsmoduls, etc., beeinflusst. Daher kann es erforderlich sein, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Messwertes bereitzustellen, die eine höhere Genauigkeit aufweisen. Ferner kann es erforderlich sein, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Messwertes bereitzustellen, die eine geringere Ungenauigkeit infolge von Störungen (z.B. eine geringere Störanfälligkeit) aufweisen. Es kann erforderlich sein, eine Vorrichtung bereitzustellen, die im Vergleich zu anderen Vorrichtungen mit vergleichbarer Messgenauigkeit verringerte Kosten aufweist. US 2007 / 0 041 020 A1, US 2009 / 0 122 319 A1 und US 2016 / 0 356 823 A1 beschreiben jeweils ein Interferometer, wobei eine Amplitude von Interferenzsignalen ausgewertet wird. US 2020 / 0 209 020 A1 beschreibt ein System zum Messen optischer Phasenänderungen entlang eines optischen Wegs in einem optisch transparenten Medium, wobei das System einen Phasen- und Amplitudenempfänger aufweist, der eine Differenz der optischen Phasen zweier elektromagnetischer Wellen und eine Amplitude der Interferenz der beiden elektromagnetischen Wellen ausgibt. DE 11 2015 000 886 T5 beschreibt einen auf Modulationsphasendetektion basierenden interferometrischen Sensor, wobei eine Messgröße eine optische Phasenverschiebung interferierender Lichtwellen induziert und wobei ein Wert der Messgröße mittels Erfassens dieser optischen Phasenverschiebung ermittelt wird. US 2016 / 0 305 984 A1 beschreibt einen Sensor, bei dem eine Messgröße eine optische Phasenverschiebung orthogonaler Lichtwellen induziert und wobei anhand dieser optischen Phasenverschiebung ein Wert der Messgröße ermittelt wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Messwertes bereitgestellt, mittels denen ein Messwert einer Messgröße mit einer geringeren Störanfälligkeit ermittelt werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vorrichtung eine Detektoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Detektoreinrichtung kann eingerichtet sein zum: Empfangen eines modulierten optischen Signals, wobei das modulierte optische Signal eine erste Gruppenlaufzeit aufweist, Verändern einer Gruppenlaufzeit des empfangenen modulierten optischen Signals in Abhängigkeit eines Parameterwertes von mindestens einem Parameter, so dass das veränderte modulierte optische Signal eine von der ersten Gruppenlaufzeit verschiedene zweite Gruppenlaufzeit aufweist, und Bereitstellen eines elektrischen Signals für das veränderte modulierte optische Signal, wobei das elektrische Signal eine elektrische Phase aufweist. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein zum: Erfassen der elektrischen Phase des elektrischen Signals und zum Ermitteln des Parameterwertes des mindestens einen Parameters unter Verwendung der erfassten elektrischen Phase des elektrischen Signals. Die Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bildet ein erstes Beispiel. Die elektrische Phase des elektrischen Signals weist eine geringere Anfälligkeit gegenüber Störungen der Amplitude auf. Ferner weist die elektrische Phase des elektrischen Signals eine geringere Anfälligkeit gegenüber Längenänderungen der Messanordnung auf. Somit hat das Ermitteln der elektrischen Phase des elektrischen Signals den Effekt, dass die Vorrichtung eine geringere Störanfälligkeit im Vergleich zu anderen optischen Sensoreinrichtungen, welche beispielsweise die optische Phase eines optischen Signals oder die Amplitude eines elektrischen Signals auswerten, hat. Die Wellenlänge des elektrischen Signals ka