DE9308118U1 - Fiber optic sensor - Google Patents
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Description
LN 301-DE-GMLN 301-DE-GM
Faseroptischer SensorFiber optic sensor
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a fiber optic sensor according to the preamble of claim 1.
Die Zunahme der elektrischen Komponenten bewirkt eine immer stärker werdende gegenseitige elektrische Beeinflussung. Die gestiegenen Sicherheitsanforderungen bezüglich des Schutzes vor äußeren elektro-magnetischen Störstrahlungen erfordern aufwendige konstruktive Lösungen für die elektrische Sensorik.The increase in electrical components results in an ever-increasing mutual electrical influence. The increased safety requirements regarding protection against external electromagnetic interference require complex design solutions for electrical sensors.
Aus diesem Grund werden faseroptische Sensoren bevorzugt. Deren Vorteile liegen in der geringen Dämpfung, der hohen Bandbreite und insbesondere der Störsicherheit hinsichtlich elektro-magnetischer Strahlung. Mit faseroptischen Sensoren ist die Erfassung von Temperatur, Druck, Drehbewegung und Entfernung usw. möglich.For this reason, fiber optic sensors are preferred. Their advantages are low attenuation, high bandwidth and, in particular, immunity to interference from electromagnetic radiation. Fiber optic sensors can be used to measure temperature, pressure, rotation, distance, etc.
Eine Meßmethode zur Entfernungsmessung ist das Triangulationsverfahren. Hierbei handelt es sich um ein streckenneutrales Meßverfahren, bei dem die Alterung der Bauteile und die Dämpfungsänderungen der Meßstrecke kompensiert werden. One method for measuring distance is the triangulation method. This is a distance-neutral measuring method in which the aging of the components and the attenuation changes of the measuring section are compensated.
Aus dem Prospekt "MQ-F Fotoelektrische Sensoren mit Lichtleiter" von Matsushita Automation Controls ist ein fotoelektrischer Sensor mit Lichtleitern bekannt, der nach einem solchen Verfahren arbeitet. Durch eine Linse wird ein möglichst eng gebündelter Lichtfleck auf einer diffus-reflektierenden Objektoberfläche erzeugt. Das Objekt wird im Rahmen einer Objekterkennung in den Lichtstrahl eingeschoben. Über eine zweite Linse wird der reflektierte Lichtfleck auf zwei nebeneinanderliegenden Empfängerlichtleitern abgebildet. Durch das Verhältnis der letztendlich an zwei Fotodioden ankommenden Lichtmengen erkennt das System, ob sich ein Objekt in dem Stralengang des Lichtes befindet. Dieses System eignet sich zur Lageerkennung von Bauelementen und dergleichen.A photoelectric sensor with optical fibers that works according to such a method is known from the brochure "MQ-F photoelectric sensors with optical fibers" by Matsushita Automation Controls. A lens generates a light spot that is as tightly focused as possible on a diffusely reflecting object surface. The object is inserted into the light beam as part of an object detection process. The reflected light spot is imaged on two adjacent receiver optical fibers via a second lens. The system recognizes whether an object is in the path of the light by the ratio of the amounts of light that ultimately reach two photodiodes. This system is suitable for detecting the position of components and the like.
Darüber hinaus ist das Meßsystem aber ständig beliebigen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Zwischen dem Objekt und den beiden Linsen in der Meßspitze können sich Störpartikel absetzen und die Messung beinträchtigen. Ändern sich innerhalb der Meßstrecke die Lichtverhältnisse, muß das System nachjustiert werden. Im Extremfall können aggressive Flüssigkeiten die Meßspitze zerstören. In addition, the measuring system is constantly exposed to all kinds of environmental influences. Interference particles can settle between the object and the two lenses in the measuring tip and impair the measurement. If the lighting conditions change within the measuring section, the system must be readjusted. In extreme cases, aggressive liquids can destroy the measuring tip.
Aus der DE 3640159 C2 ist ein Triangulationssensor bekannt, bei dem der reflektierte Lichtfleck durch eine Linse auf einen elektronischen Empfänger auftrifft, so daß das Gesamtsystem nur bedingt störunempfindlich ist. Der elektronische Empfänger erfordert außerdem einen hohen Kostenaufwand.A triangulation sensor is known from DE 3640159 C2, in which the reflected light spot hits an electronic receiver through a lens, so that the entire system is only partially immune to interference. The electronic receiver is also very expensive.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen faseroptischen Sensor zu schaffen, der eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet und gegen Umwelteinflüsse geschützt ist.The object of the invention is to create a fiber optic sensor that ensures high operational reliability and is protected against environmental influences.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß der Sende- und die beiden Empfängerlichtleiter einendig, die beiden zueinander schräggestellten Linsen und die Reflexionsfläche innerhalb eines einzigen Gehäuses angeordnet sind, wobei die Reflexionsfläche und das Gehäuse zueinander beweglich sind und die Reflexionsfläche mit einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Meßobjekt verbunden ist.The invention solves the problem in that the transmitting and the two receiving light guides are arranged at one end, the two lenses inclined to one another and the reflection surface are arranged within a single housing, whereby the reflection surface and the housing are movable relative to one another and the reflection surface is connected to a measuring object located outside the housing.
Die Anordnung der einzelnen Bauelemente des faseroptischen Sensors gewährleistet, daß das Meßverfahren nicht durch Umwelteinflüsse beinträchtigt wird. Die Anbindung des Meßobjektes an den faseroptischen Sensor außerhalb des Gehäuses ist leicht und mit herkömmlichen Verbindungstechniken durchführbar. Neben der ortsfesten Anbringung des Gehäuses mit der beweglich geführten Reflexionsfläche ist auch der umgekehrte Fall oder eine Kombination beider Fälle möglich. Da Meßobjekt und Reflexionsfläche mit einer starren Verbindung gekoppelt sind, führen beide auch die gleichen Wegänderungen aus. Die eigentliche Messung erfolgt also innerhalb des Gehäuses, d. h., eine Wegänderung des Meßobjektes wird in das Gehäuse verlagert. Dort wird die Messung nach dem Triangulationsverfahren störungsfrei und unter konstantem Meßbedingungen durchgeführt.The arrangement of the individual components of the fiber optic sensor ensures that the measuring process is not affected by environmental influences. Connecting the measuring object to the fiber optic sensor outside the housing is easy and can be carried out using conventional connection techniques. In addition to the fixed attachment of the housing with the movable reflection surface, the reverse case or a combination of both cases is also possible. Since the measuring object and reflection surface are coupled with a rigid connection, both also carry out the same path changes. The actual measurement therefore takes place inside the housing, i.e. a path change of the measuring object is shifted into the housing. There the measurement is carried out using the triangulation method without interference and under constant measuring conditions.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des faseroptischen Sensors entsteht ein gekapseltes System, so daß auf Fremdlichtunterdrückung und hochwertige Glaslinsen verzichtet wird. Für viele Anwendungen im industriellen und automobilen Bereich ist die so entstandene Störunanfälligkeit und Betriebssicherheit das wichtigste Kriterium. Darüber hinaus ist der faseroptische Sensor aus Bauelementen zusammengebaut, die einen niedrigeren Kostenaufwand verursachen.The inventive design of the fiber optic sensor creates an encapsulated system, so that extraneous light suppression and high-quality glass lenses are not required. For many industrial and automotive applications, the resulting immunity to interference and operational reliability are the most important criteria. In addition, the fiber optic sensor is assembled from components that result in lower costs.
Je nach Einsatzbereich des faseroptischen Sensors ist das Gehäuse gegen das Eindringen von Schmutz und Flüssigkeiten gesichert. Hierfür werden entsprechende Dichtungen an den Problemstellen, wie Stößelführung, Stoßkanten des Gehäuses eingesetzt. Depending on the application area of the fiber optic sensor, the housing is protected against the ingress of dirt and liquids. For this purpose, appropriate seals are used at problem areas, such as the tappet guide and the edges of the housing.
Die Verbindung zwischen der Reflexionsfläche und dem Meßobjekt kann über einen Stößel realisiert werden, der an der Reflexionsfläche angebunden ist und durch eine Wandung des Gehäuses nach außen führt. Der Stößel ist dort mit dem Meßobjekt verbunden. Vorteilhaft ist es, den Stößel in Bewegungsrichtung der Reflexionsfläche aus dem Gehäuse zu führen, da dann keine Kraftumlenkung nötig ist, und die Öffnung zur Führung des Stößels klein ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Reflexionsfläche als Teil des Gehäuses auszubilden, d. h. die Reflexionsfläche bildet gleichzeitig eine Gehäusewand und wird nach Art eines Kolbens durch den angebundenen Stößel bewegt.The connection between the reflection surface and the measuring object can be realized via a plunger that is connected to the reflection surface and leads out through a wall of the housing. The plunger is connected to the measuring object there. It is advantageous to lead the plunger out of the housing in the direction of movement of the reflection surface, as then no force deflection is necessary and the opening for guiding the plunger is small. Alternatively, it is possible to form the reflection surface as part of the housing, i.e. the reflection surface simultaneously forms a housing wall and is moved like a piston by the connected plunger.
Der erfindungsgemäße faseroptische Sensor findet Verwendung in einem System zur aktiven Fahrwerksregelung. Die Erfassung der Stoßdämpferbewegung wird hierbei über den faseroptischen Sensor vorgenommen. Der Stößel ist mit einem Teil des Stoßdämpfers verbunden, das die Federbewegungen mit ausführt. Der faseroptische Sensor gibt die letztendlich in elektrische Signale umgewandelten Federwege an das Gesamtsystem weiter, so daß aufgrund dessen die Eigenschaften des Fahrwerks beeinflußt werden. Darüber hinaus eignet sich der faseroptische Sensor für Industrie-(Schieber, Kolben, Hebel) und weitere Automobilanwendungen (Drosselklappe, elektronisches Gaspedal, Dieseleinspritzpumpe) sowie für Spezialanwendungen im Hochspannungs- und EX-Bereich.The fiber optic sensor according to the invention is used in a system for active chassis control. The shock absorber movement is recorded using the fiber optic sensor. The tappet is connected to a part of the shock absorber that also carries out the spring movements. The fiber optic sensor transmits the spring travel, which is ultimately converted into electrical signals, to the entire system, so that the properties of the chassis are influenced as a result. In addition, the fiber optic sensor is suitable for industrial (slide, piston, lever) and other automotive applications (throttle valve, electronic accelerator pedal, diesel injection pump) as well as for special applications in high-voltage and EX areas.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den·Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.
Figur 1 zeigt die schematische Funktionsweise eines faseroptischen Sensors, der nach dem Verfahren der Triangulation arbeitet.Figure 1 shows the schematic operation of a fiber optic sensor that works according to the triangulation method.
Figur 2 zeigt den faseroptischen Sensor in einem Längsschnitt.Figure 2 shows the fiber optic sensor in a longitudinal section.
Anhand der Figur 1 wird die prinzipielle Funktionsweise eines faseroptischen Sensors 1 erklärt, der nach dem Verfahren der Triangulation arbeitet. Durch eine Sendelinse 2 wird ein möglichst eng gebündelter Lichtfleck auf einer diffus reflektierenden Oberfläche 3 erzeugt, die entlang einer optischen Achse 4 der Sendelinse 2 zwischen einem Ort 5 und einem Ort 6 verschoben werden kann. Der Lichtfleck wird über eine schräggestellte Empfängerlinse 7 zunächst auf einer Beobachtungsfläche 8 abgebildet. Die optische Achse 9 der Empfängerlinse 7 verläuft unter einem Winkel cL· zur optischen Achse 4 der Sendelinse 2. Die Schrägstellung bewirkt gemäß dem Prinzip der Triangulation, daß der Lichtfleck von Ort 5 in Ort 5', und von Ort 6 in Ort 6' abgebildet wird. Eine Verschiebung der diffus reflektierenden Oberfläche 3 entlang der optischen Achse 4 hat eine Positionsänderung des Lichtfleckes auf der Beobachtungsfläche 8 zur Folge.Figure 1 explains the basic functioning of a fibre optic sensor 1 which works according to the triangulation method. A transmitting lens 2 produces a light spot which is as tightly bundled as possible on a diffusely reflecting surface 3 which can be moved along an optical axis 4 of the transmitting lens 2 between a location 5 and a location 6. The light spot is first imaged onto an observation surface 8 via an inclined receiver lens 7. The optical axis 9 of the receiver lens 7 runs at an angle cL· to the optical axis 4 of the transmitting lens 2. According to the principle of triangulation, the inclination causes the light spot to be imaged from location 5 to location 5' and from location 6 to location 6'. A displacement of the diffusely reflecting surface 3 along the optical axis 4 results in a change in the position of the light spot on the observation surface 8.
In Figur 2 ist ein faseroptischer Sensor 1 dargestellt, wobei nur die wesentlichen Bauelemente gezeigt sind und auf die Darstellung des Lichtstrahlenganges verzichtet wurde, da dies vorab erklärt wurde. Der faseroptische Sensor 1 besteht aus einem Gehäuse 10, das einen Sensorkopf 11 und eine Reflexionsfläche 12 mit einem Stößel 13 umgibt. Ein Lichtleiterkabel 14 verbindet den faseroptischen Sensor 1 mit einer elektro-optischen Auswerteinheit 15. Neben einer nicht näher bezeichneten Auswertelektronik 16 sind in der Auswerteinheit 15 zwei PIN-Dioden 17, 18 und eine LED 19 angeordnet. Das Lichtleiterkabel 14 ist durch eine Einführöffnung 20 in das Gehäuse 10 des faseroptischen Sensors eingeführt und beinhaltet einenFigure 2 shows a fiber optic sensor 1, whereby only the essential components are shown and the light beam path is not shown, as this was explained in advance. The fiber optic sensor 1 consists of a housing 10, which surrounds a sensor head 11 and a reflection surface 12 with a plunger 13. A fiber optic cable 14 connects the fiber optic sensor 1 to an electro-optical evaluation unit 15. In addition to an evaluation electronics 16 (not specified in more detail), two PIN diodes 17, 18 and an LED 19 are arranged in the evaluation unit 15. The fiber optic cable 14 is inserted through an insertion opening 20 into the housing 10 of the fiber optic sensor and contains a
Sendelichtleiter 21 und zwei Empfängerlichtleiter 22, 23, die mit dem Sensorkopf 11 verbunden sind. Die LED 19 dient als Lichtquelle und sendet Licht durch den Sendelichtleiter 21 zu einer im Sensorkopf 11 befindlichen Sendelinse 2. Die Endfläche 24 des Sendelichtleiters 21 erzeugt über die Sendelinse 2 den Lichtfleck auf der beweglichen Reflexionsfläche 12. Die beiden Empfängerlichtleiter 22, 23 nehmen das reflektierte Licht über die ebenfalls im Sensorkopf 11 angeordnete Empfängerlinse 7 auf.Transmitting light guide 21 and two receiving light guides 22, 23, which are connected to the sensor head 11. The LED 19 serves as a light source and sends light through the transmitting light guide 21 to a transmitting lens 2 located in the sensor head 11. The end face 24 of the transmitting light guide 21 generates the light spot on the movable reflection surface 12 via the transmitting lens 2. The two receiving light guides 22, 23 receive the reflected light via the receiving lens 7, which is also arranged in the sensor head 11.
Dabei bewegt sich die Abbildung des Lichtfleckes in Abhängigkeit von der Verschiebung der Reflexionsfläche 12 über beide Empfängerlichtleiter 22, 23. Aus der Differenz der empfangenen Lichtleistungen in den beiden Empfängerlichtleitern 22, 23 wird auf die Verschiebung der Reflexionsfläche 12 zurückgeschlossen. Das Meßergebnis ist letztendlich ein analoger Absolutwert in Abhängigkeit von der Verschiebung der Reflexionsfläche 12. An die Reflexionsfläche 12 werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Ein Meßobjekt 25 ist außerhalb des Gehäuses 10 mit dem Stößel 13 verbunden. Durch eine Öffnung 26 in einer Wandung 27 des Gehäuses 10 wird der Stößel 13 beweglich geführt und ist im Gehäuse 10 starr mit der Reflexionsfläche 12 gekoppelt. Eine Richtungsänderung des Meßobjektes 25 wird in eine gleiche Bewegung sowohl richtungs- als auch betragsmäßig überführt. Die Kapselung des faseroptischen Sensors 1 verhindert äußere Einflüsse und steigert die Betriebssicherheit.The image of the light spot moves across both receiver light guides 22, 23 depending on the displacement of the reflection surface 12. The displacement of the reflection surface 12 is determined from the difference in the light output received in the two receiver light guides 22, 23. The measurement result is ultimately an analog absolute value depending on the displacement of the reflection surface 12. No special requirements are placed on the reflection surface 12. A measurement object 25 is connected to the plunger 13 outside the housing 10. The plunger 13 is guided movably through an opening 26 in a wall 27 of the housing 10 and is rigidly coupled to the reflection surface 12 in the housing 10. A change in direction of the measurement object 25 is converted into an equal movement, both in terms of direction and magnitude. The encapsulation of the fiber optic sensor 1 prevents external influences and increases operational reliability.
Je nach Anforderungen ist das Gehäuse 10 so ausführbar, daß mit entsprechenden Dichtmitteln die Norm IP 68 erfüllt werden kann. Der Sensorkopf 11 enthält keine elektronischen Bauteile. Er besteht nur aus optischen und mechanischen Bauteilen. Die Auswerteinheit 15 kann an einer geeigneten Stelle angeordnet sein. Bei Verwendung von Kunststofflichtleitern kann das Lichtleiterkabel 14 ca. 10 Meter lang sein. Um zu vermeiden, daß durch eine starke Lichtleiterbiegung eine Veränderung der Leistung und damit auch eine Bewegungsänderung vorgetäuscht wird, wurde die Auswertelektronik 16 so ausgebaut, daß die Summe der beiden in den Empfängerlichtleitern 22, 23 eingehenden Lichtleistungen durch eine Regelung der Sendeleistung konstant gehalten wird. Die Streckenneutralität wird gewährleistet, Alterungseffekte von der LED 19 und den PIN-DiodenDepending on requirements, the housing 10 can be designed so that the IP 68 standard can be met with the appropriate sealing agents. The sensor head 11 does not contain any electronic components. It consists only of optical and mechanical components. The evaluation unit 15 can be arranged in a suitable location. When using plastic optical fibers, the optical fiber cable 14 can be approx. 10 meters long. In order to avoid a change in power and thus a change in movement being simulated by a strong bend in the optical fiber, the evaluation electronics 16 were designed so that the sum of the two light outputs entering the receiver optical fibers 22, 23 is kept constant by regulating the transmission power. The path neutrality is guaranteed, aging effects from the LED 19 and the PIN diodes
17, 18 werden eliminiert und der Meßwert ist unabhängig von Temperaturschwankungen am Sensorkopf.17, 18 are eliminated and the measured value is independent of temperature fluctuations at the sensor head.
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