BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtschranke mit einem Lichtsender zum Erzeugen eines gerichteten Lichtbündels und einem Lichtempfänger, der von diesem Lichtbündel beleuchtet wird und ein foto elektrisches Bauelement enthält.
Bei einer einfachen gebräuchlichen Lichtschranke besteht der Lichtsender aus einer Lichtquelle, der ein Kondensor nachgestellt ist, und einer Austrittsblende, die die Lichtaustrittsfläche des Senders und damit den Querschnitt des aus dem Sender austretenden Lichtbündels begrenzt. Der Lichtempfänger besteht üblicherweise aus einem fotoelektrischen Bauelement, das als belichtungsabhängige Strom- oder Spannungsquelle oder als belichtungsabhängiger Widerstand ausgebildet ist, einer diesem Bauelement vorgestellten Sammellinse und einer insbesondere zum Abdecken von seitlich einfallendem Streulicht vorgesehenen und die Lichteintrittsfläche des Empfängers bestimmenden Eintrittsblende. Solche Lichtschranken werden gewöhnlich als berührungslose Fühler verwendet, die ein Schaltsignal erzeugen, wenn das die eigentliche Schranke bildende Lichtbündel vollständig abgedeckt ist.
Eine quantitative Auswertung des einer teilweisen Abdeckung entsprechenden analogen Ausgangssignals des fotoelektrischen Bauelements ist bei den gebräuchlichen Lichtschranken nicht erforderlich und praktisch auch nicht möglich. Die Leuchtdichte der Lichtaustrittsfläche des Lichtsenders ist nicht über die gesamte Fläche konstant, und das aus der Lichtaustrittsfläche austretende Lichtbündel sowie das durch die Lichteintrittsfläche in den Lichtempfänger eintretende Lichtbündel weisen zu grosse Öffnungswinkel auf. Das hat zur Folge, dass eine teilweise Unterbrechung des Lichtbündels eine Abschattung der Lichteintrittsfläche bzw. ein entsprechendes Ausgangssignal des fotoelektrischen Bauelements bewirkt, das von der Lage des die Unterbrechung erzeugenden Körpers sowohl in radialer als auch in axialer Richtung des Lichtbündels abhängig ist.
Der vorliegenden Erfindung lag darum die Aufgabe zugrunde, eine Lichtschranke zu schaffen, deren Lichtsender ein Lichtbündel erzeugt, das über seinen gesamten Querschnitt praktisch homogen ist und deren Lichtempfänger ein Ausgangssignal erzeugt, das der Abschattung der Lichteintrittsfläche durch einen in das Lichtbündel eingebrachten Körper entspricht.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einer Lichtschranke der eingangs genannten Art gelöst, bei der einer senderseitigen Lichtquelle und dem empfängerseitigen, fotoelektrischen Bauelement je ein optischer Querschnittswandler zugeordnet ist, wobei die Lichteintrittsfläche des senderseitigen und die Lichtaustrittsfläche des empfängerseitigen Wandlers praktisch kreisflächenförmig und die Lichtaustrittsfläche des senderseitigen und die Lichteintrittsfläche des empfängerseitigen Wandlers zeilenförmig ausgebildet sind.
Die erfindungsgemässe Lichtschranke ermöglicht, ein sehr schmales, über einen gesamten Querschnitt praktisch homogenes Lichtbündel mit minimalem Öffnungswinkel zu erzeugen, sowie eine vom Ort eines abschattenden Körpers in diesem Lichtbündel unabhängige Abschattung auf der Lichteintrittsfläche des Lichtempfängers und damit ein analoges Ausgangssignal, das dem die Abschattung der Lichteintrittsfläche entsprechenden Querschnitt des Körpers proportional ist.
Bevorzugte Anwendungen dieser Lichtschranke sind darum Geräte zum Bestimmen des eine Abschattung bewirkenden Querschnitts bzw. von Querschnittsänderungen durchlaufender Körper, beispielsweise das kontinuierliche Überwachen der Dicke eines durchlaufenden Fadens oder Drahts sowie das Auslösen eines Schaltsignals, wenn ein Körper mit in der Bewegungsrichtung konischem oder ogivalem Querschnitt bis zu einer vorgegebenen Dicke in die Lichtschranke eingedrungen ist. Die letztere Eigenschaft ist besonders wichtig, wenn die Zeitspanne, die ein Körper für das Durchfliegen der Distanz zwischen zwei in der Bewegungsrichtung des Körpers hintereinander angeordneten Lichtschranken benötigt, mit grosser Genauigkeit bestimmt werden soll.
Vorrichtungen zum Messen der Geschwindigkeit eines Körpers mit Hilfe von zwei voneinander beabstandeten Lichtschranken sind bekannt. Beispielsweise ist in der DE-OS 33 18 378 eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines von einer Hand- oder Faustfeuerwaffe abgeschossenen Geschosses beschrieben. Diese Vorrichtung enthält ein Messgerät mit zwei Lichtschranken sowie eine elektronische Schaltung, die aus dem zeitlichen Abstand der von den Lichtschranken beim Durchfliegen eines Geschosses erzeugten Zeitgeberimpulsen und dem bekannten Abstand der beiden Lichtschranken voneinander die Fluggeschwindigkeit berechnet und anzeigt.
Das Messgerät besteht aus zwei kastenförmigen Gehäusen, die beidseits der Flugbahn des Geschosses angeordnet sind. In dem einen Gehäuse sind die Lichtsender und im anderen die Lichtempfänger der beiden Lichtschranken angeordnet. Jeder Lichtsender besteht aus einer Lichtquelle, einem nachgestellten Kondensor und einer schlitzförmigen Lichtaustrittsöffnung, die quer zur Flugbahn des Geschosses ausgerichtet ist. Jeder Lichtempfänger enthält eine schlitzförmige Lichteintrittsöffnung, die der Lichtaustrittsöffnung der Lichtquelle genau gegenüberliegend angeordnet ist, eine nachgestellte Zylinderlinse, deren optische Achse quer zur schlitzförmigen Öffnung bzw. parallel zur Flugbahn des Geschosses verläuft, und ein fotoelektrisches Bauelement. Die einzelnen Teile des zu einer Lichtschranke gehörenden Lichtsenders und -empfängers sind längs einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet.
Der in der Flugrichtung des Geschosses gemessene Abstand dieser optischen Achsen voneinander bestimmt die Länge der Messstrecke.
Die Nachteile dieses Geräts sind offensichtlich. Die den Lichtquellen zugeordneten Kondensoren ermöglichen keine homogene Ausleuchtung der Lichtaustrittsöffnung und auch keine Begrenzung des Öffnungswinkels des austretenden Lichtbündels auf einen minimalen Wert. Ebenso wenig ermöglichen die den Lichteintrittsöffnungen zugeordneten Zylinderlinsen mit der quer zur Längsrichtung der Eintrittsöffnung ausgerichteten optischen Achse eine vom Ort der Abschattung auf der Eintritts öffnung unabhängige Beleuchtungsänderung des fotoelektrischen Bauelements.
Die Verwendung von individuellen Lichtquellen für jede der Lichtschranken erschwert oder verunmöglicht eine gleichmässige Leuchtdichte in den beiden Austrittsöffnungen und damit auch eine gleichmässige Beleuchtungsdichte der beiden Eintrittsöffnungen, was weiter zur Folge hat, dass der gleiche Gegenstand beim Durchfliegen der beiden Lichtschranken unterschiedliche Änderungen der Beleuchtungsdichte auf dem fotoelektrischen Bauelement und entsprechend unterschiedliche analoge Ausgangssignale erzeugt.
Diese Mängel summieren sich, wenn die Geschwindigkeit eines Körpers mit konischer oder ogivaler Spitze zu messen ist, weil dann das Zeitgebersignal, das bei einem voreingestellten Wert des analogen Ausgangssignals erzeugt wird, bei unterschiedlichen Eindringtiefen des Körpers oder Geschosses in die Lichtschranken erscheint, was wiederum einer vom Gegenstand oder Geschoss abhängigen Änderung der Messstrecke entspricht.
Die vorliegende Erfindung betrifft darum auch einen Messwertgeber mit erfindungsgemässen Lichtschranken für eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines Körpers durch Bestimmen der Zeit, die für das Zurücklegen einer Strecke benötigt wird, die von zwei voneinander beabstandeten Lichtschranken definiert ist, welcher Messwertgeber gekennzeichnet ist durch zwei parallel zueinander angeordnete, plattenförmige Gehäuse, wovon das eine zum Aufnehmen der Lichtsender und das andere zum Aufnehmen der Lichtempfänger der zwei Lichtschranken vorgesehen ist, welche Gehäuse in den einander zugewandten Wänden je zwei parallele, schlitzförmige und einander gegenüberliegende Öffnungen aufweisen, deren Abstand voneinander die Länge der Messstrecke bestimmt.
Der erfindungsgemässe Messwertgeber ermöglicht bei der Geschwindigkeitsmessung, dass die Zeitimpulse erzeugt werden, wenn der Körper oder das Geschoss in jeder der Lichtschranken die gleiche Eindringtiefe aufweist. Das hat zur Folge, dass die tatsächliche Messstrecke von der Form und dem Ort des Körpers oder Geschosses in der Lichtschranke unabhängig ist und genau dem mechanischen Abstand der beiden Lichtschranken entspricht, was weiter ermöglicht, die Messgenauigkeit ganz wesentlich zu verbessern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Messwertgebers sind die Lichteintrittsflächen der beiden senderseitigen Lichtleiter der gleichen Lichtquelle benachbart angeordnet, womit gleiche Leuchtdichten der beiden Lichtaustrittsflächen gewährleistet sind.
Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Lichtschranke und des Messwertgebers mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Lichtschranke,
Fig. 2 den skizzierten mechanischen Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Messwertgebers mit zwei Lichtschranken,
Fig. 3 die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der beiden optischen Querschnittswandler in dem Messwertgeber gemäss der Fig. 2,
Fig. 4 das Prinzipschema einer Schaltung zum Verstärken des analogen Ausgangssignals des fotoelektrischen Bauelements,
Fig. 5 das Prinzipschema einer Schaltung zum Erzeugen eines Zeitgeberimpulses, wenn das analoge Ausgangssignal des fotoelektrischen Bauelements einen voreingestellten Wert erreicht,
Fig.
6 und 7 die auf einem Digitalspeicherkathodenstrahloszillographen sichtbar gemachten Ausgangssignale einer Lichtschranke des Messwertgebers gemäss Fig. 2 beim Durchfliegen zweier unterschiedlicher Flugkörper.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Lichtschranke besteht aus einem Lichtsender 10 und einem Lichtempfänger 11. Zum Lichtsender gehören eine Lichtquelle 12, ein Kondensor 13 und ein optischer Querschnittswandler 14. Die der Lichtquelle zugewandte Lichteintrittsfläche 16 des Wandlers hat einen kreisflä chenförmigen Querschnitt, und die (in der Figur nicht sichtbare) Lichtaustrittsfläche 17 ist fächerförmig zu einer schmalen Zeile auseinandergezogen. Vor der Lichtaustrittsfläche sind eine Zylinderlinse 18 und eine mechanische Ausgangsblende 19 angeordnet. Die Achse dieser Zylinderlinse ist parallel zur zeilenförmigen Lichtaustrittsfläche des Querschnittswandlers und der Ausgangsblende ausgerichtet.
Der Lichtempfänger enthält eine mechanische Eingangsblende 21, die der Ausgangsblende 19 des Lichtsenders genau gegenüberliegt, dahinter eine Zylinderlinse 22, einen optischen Querschnittswandler 23 und ein fotoelektrisches Bauelement 24. Die der Zylinderlinse benachbarte Eintrittsfläche 26 des optischen Querschnittswandlers ist zeilenförmig aufgefächert, während die dem fotoelektrischen Bauelement zugewandte (in der Figur nicht zu erkennende) Lichtaustrittsfläche 27 einen kreisflächenförmigen Querschnitt aufweist.
Die Achse der Zylinderlinse 22 verläuft parallel zur Längsrichtung der Eingangsblende 21 und der Lichteintrittsfläche 26.
Beim Betrieb dieser Lichtschranke wird von der Lichtquelle 12 erzeugtes Licht vom Kondensor 13 auf die Eintrittsfläche 16 des optischen Querschnittswandlers 14 geleitet. Der Querschnittswandler besteht vorzugsweise aus einem Bündel lichtleitender Fasern, was die Ausbildung einer sehr schmalen zeilenförmigen Austrittsfläche 17 ermöglicht, die eine homogene Leuchtdichte aufweist, wenn das Faserbündel aus gemischten Fasern besteht. Das von der Austrittsfläche ausgehende Licht wird von der Zylinderlinse 18 zu einem nur wenig dispergierenden Lichtvorhang gebündelt, dessen Querschnitt von der Ausgangsblende 19 bestimmt wird.
Der Lichtvorhang fällt durch die gegenüberliegende Eingangsblende 21, die hauptsächlich zum Abfangen von seitlich einfallendem Streulicht vorgesehen ist, auf die Zylinderlinse 22 und wird von dieser auf die Lichteintrittsfläche 26 des optischen Querschnittswandlers 23 fokussiert. Das in den Querschnittswandler eingeleitete Licht tritt an dessen Austrittsfläche 27 wieder aus und beleuchtet das fotoelektrische Bauelement 24, das ein der Beleuchtung entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Der optische Querschnittswandler 23 im Lichtempfänger besteht ebenfalls vorzugsweise aus gemischten Lichtleitfasern, womit erreicht wird, dass eine partielle Unterbrechung des Lichtvorhangs und entsprechende örtlich begrenzte Abschattung der Lichteintrittsfläche auf der gesamten Lichtaustrittsfläche 27 eine gleichmässige Änderung der Leuchtdichte bewirkt.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform eines Messwertgebers für eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines Körpers enthält eine Bodenplatte 31, an der eine senkrecht stehende Trägerschiene 32 befestigt ist. Die Trägerschiene weist zwei senkrecht und parallel zueinander verlaufende Führungsnuten 33, 34 auf, in denen zwei horizontal angeordnete, plattenförmige Gehäuse 36, 37 gegeneinander verschiebbar geführt sind. Im oberen Gehäuse 36 sind zwei Lichtsender eingebaut, von denen jeder die gleichen Teile wie der in Fig. 1 gezeigte Lichtsender enthält, deren optische Querschnittswandler aber im Bereich der fächerförmigen Aufspreizung um 900 abgebogen ist, was anhand der Fig. 3 noch beschrieben werden wird.
Das obere Gehäuse weist in der dem unteren Gehäuse zugewandten Wand zwei (in der Figur nicht erkennbare) schlitzförmige Öffnungen auf, die quer zur Längsrichtung des Gehäuses verlaufen und die Ausgangsblenden der Lichtsender bilden, die den Querschnitt der Lichtvorhänge definieren und deren Abstand D voneinander die Länge der Messstrecke bestimmt. Das obere Gehäuse enthält weiter eine stabilisierende Spannungsquelle, die über ein äusseres Kabel 38 direkt an ein Stromnetz angeschlossen werden kann und die stabilisierte Speisespannung für die Lichtquelle erzeugt.
Im unteren Gehäuse 37 sind die Lichtempfänger eingebaut, die ebenfalls im Prinzip dem in Fig. 1 gezeigten Lichtempfänger entsprechen, aber einen im Bereich der Lichteintrittsfläche um 90 abgebogenen optischen Querschnittswandler aufweisen. In die dem oberen Gehäuse zugewandte Wand sind zwei schlitzförmige Öffnungen 39, 41 eingearbeitet, die den schlitzförmigen Öffnungen im oberen Gehäuse genau gegenüberliegen und die Eingangsblenden für die Lichtempfänger bilden.
Im unteren Gehäuse 37 sind weiter elektronische Schaltungen eingebaut, die die analogen Ausgangssignale der fotoelektrischen Bauelemente der beiden Lichtschranken verstärken und an eine zugeordnete BNC-Buchse 42 führen, wo das verstärkte Signal zur weiteren Auswertung abgenommen werden kann, sowie Schaltungen, die einen Zeitgeberimpuls erzeugen, wenn das Analogsignal einen vorgegebenen Wert erreicht, welche Zeitgeberimpulse an einer weiteren BNC-Buchse 43 abgenommen werden können.
Bei einem Messwertgeber, der zum Messen der Geschwindigkeit von Geschossen und insbesondere im Münsungsbereich der entsprechenden Waffe verwendet werden soll, sind vorzugsweise an den beiden Gehäusen und an den der Waffe zugewandten Stirnseiten besondere Schirme 46, 47 befestigt, die die Stirnflächen der Gehäuse und die als Blenden wirksamen, schlitzförmigen Öffnungen in den den Schusskanal begrenzenden Wänden der Gehäuse vor mitfliegenden Splittern, Geschossablegern und sonstigen Verunreinigungen schützen.
In Fig. 3 sind schematisch zwei Lichtschranken gezeigt, die zum Einbau in einen Messwertgeber gemäss der Fig. 2 besonders gut geeignet sind, die optischen Querschnittswandler 51, 52 der Lichtsender sind im Lichteintrittsbereich in drei Arme 53, 54, 55 bzw. 57, 58, 59 geteilt, und die dazugehörenden Lichteintrittsflächen sind jeweils paarweise einer Punktlichtquelle 61, 62, 63 zugeordnet. Im Bereich der zu einer schmalen Zeile aufgefächerten Lichtaustrittsfläche 64 bzw. 66 sind die Querschnittswandler um 90 abgebogen.
Die optischen Querschnittswandler 68, 69 der beiden Lichtempfänger sind im Bereich der zeilenförmigen aufgefächerten Lichteintrittsflächen 71 bzw. 72 um 900 abgebogen und unterscheiden sich sonst praktisch nicht von dem Lichtempfänger gemäss der Fig. 1. Das betrifft insbesondere die vor den zeilenförmigen Lichtaus- bzw. Lichteintrittsflächen angeordneten Zylinderlinsen und die dieser vorangestellten Eingangsblenden, die der übersichtlicheren Darstellung wegen in Fig. 3 nicht gezeigt sind.
Die Aufteilung der optischen Querschnittswandler der Lichtsender im Lichteintrittsbereich ermöglicht, das Licht mehrerer und im beschriebenen Beispiel von drei Lampen in den Wandler einzuleiten. Das paarweise Anordnen von Lichtein trittsflächen der beiden Querschnittswandler auf gegenüberliegenden Seiten einer Lichtquelle gewährleistet, dass die Leuchtdichte der zeilenförmigen Lichtaustrittsflächen der beiden Wandler gleich ist. Das Abbiegen der optischen Querschnittswandler im Bereich der fächerförmigen Ausspreizung ermöglicht eine flache Bauhöhe der Gehäuse, was sehr wichtig sein kann, wenn der Messwertgeber zum Messen der Geschwindigkeit von Geschossen in kurzem Abstand von der Mündung einer Waffe verwendet wird, wo die jedes Geschoss begleitende Druckwelle am stärksten ist.
Fig. 4 zeigt das Prinzipschema einer bekannten Schaltung zum Verstärken des analogen Ausgangssignals eines fotoelektrischen Bauelements, das dem Lichtaustrittsende eines fotoelektrischen Wandlers in einem Lichtempfänger zugeordnet ist. Die Fotodiode 81, die dem in Fig. 1 gezeigten fotoelektrischen Bauelement entspricht, ist mit einem Widerstand 82 in Serie geschaltet, und die Serieschaltung ist an eine (nicht gezeigte) Spannungsquelle angeschlossen. Vom Verbindungspunkt 83 führt eine Leitung an die Basis eines pnp-Transistors 84, der mit einem npn-Transistor 86 in bekannter Weise zu einem Stromverstärker zusammengeschaltet ist. Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit der in Fig. 2 gezeigten BNC-Buchse 43 verbunden, an der das verstärkte Analogsignal abgenommen werden kann.
Fig. 5 zeigt das Prinzipschema einer Schaltung zum Erzeugen eines Zeitgeberimpulses, sobald das analoge Ausgangssignal der Fotodiode 81 einen voreingestellten Wert erreicht. Diese Schaltung enthält einen Eingangskondensator 90, dessen einer Anschluss mit dem in Fig. 4 gezeigten Verbindungspunkt 83 der Serieschaltung von Fotodiode und Widerstand verbunden ist. Der andere Anschluss des Kondensators ist an einen Eingang eines als Verstärker geschalteten Operationsverstärkers 91 geführt, dessen Ausgang mit einem Eingang eines weiteren als Komparator geschalteten Operationsverstärkers 92 verbunden ist. Der andere Eingang des zweiten Operationsverstärkers ist an eine Einrichtung 93 zum Einstellen einer Vergleichsspannung angeschlossen, und vom Ausgang führt eine Leitung an die BNC-Buchse 42, an der die Zeitgeberimpulse abgenommen werden können.
Der beschriebene Signalgeber ermöglicht, dass beim Durchfliegen eines Körpers durch eine der beiden Lichtschranken das am Ausgang des zugeordneten fotoelektrischen Bauelements erscheinende und dem für die Abschaltung des Lichtempfängers wirksamen Querschnitt des Körpers entsprechende elektrische Signal zu verstärken und das verstärkte Signal mit einem Spannungsmessgerät zu messen oder mit einer geeigneten Schaltung zu digitalisieren und danach mit einem Speicheroszillographen visuell darzustellen. Die Fig. 6 zeigt das Bild auf dem Schirm eines Oszillographen beim Durchflug eines Treibkolbengeschosses durch eine der beiden Lichtschranken. Das Bild besteht aus einer Folge von digitalen Signalen, die durch Abtasten des verstärkten Analogsignals mit einer Frequenz von 10 MHz hergeleitet wurden.
Die zeitliche Dauer der einzelnen digitalen Signale betrug 15 nsec, und die horizontale Ablenkgeschwindigkeit des Kathodenstrahls entsprach 18 sec/cm. (Bei dieser Art der Darstellung verlaufen benachbarte diskrete Signale mit wenig unterschiedlicher Amplitude zu einer geschlossenen Linie, während Signale mit stark unterschiedlicher Amplitude als einzelne Punkte sichtbar sind.) Das Bild zeigt deutlich die in der Längsachse halbierte Hüllkurve 101 des Geschosses und des dem Geschoss folgenden Treibkolbenrestes 102.
Fig. 7 zeigt ein der Fig. 6 entsprechendes Bild eines Leuchtspurgeschosses. Für dieses Bild wurden die digitalen Signale invertiert und die ursprünglichen Signale zusammen mit den invertierten Signalen vom Oszillographen aufgezeichnet, wobei eine komplete Hüllkurve 103 des Geschosses sowie einzelne Punkte der Hüllkurve 104 der Leuchtspur sichtbar wurden. Die horizontale Ablenkgeschwindigkeit des Kathodenstrahls entsprach bei diesem Bild 25 sec/cm.
Die Möglichkeit, die Konturen eines durch die beiden Lichtschranken des Messwertgebers bewegten Körpers abzubilden, hat grosse praktische Bedeutung für die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung. Wenn eine Lichtaustritts- oder Lichteintrittsfläche der Lichtschranken verschmutzt ist oder die beiden fotoelektrischen Bauelemente beispielsweise wegen Alterung bei gleicher Beleuchtung ungleiche Ausgangssignale erzeugen, dann ist der zeitliche Verlauf der Amplitude des analogen Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Eindringtiefe eines Körpers mit konischer oder ogivaler Spitze unterschiedlich. Unterschiedliche zeitliche Verläufe der Analogsignale haben weiter zur Folge, dass diese Signale den Schwellwert, bei dem der Zeitgeberimpuls ausgelöst wird, bei unterschiedlichen Eindringtiefen des Körpers in die Lichtschranke erreichen.
Die unterschiedlichen Eindringtiefen entsprechen weiter einer Änderung der durch den Abstand der Lichtschranken definierten Länge der Messstrecke, was schliesslich die berechnete Geschwindigkeit verfälscht. Der visuelle Vergleich der aus den Ausgangssignalen der beiden Lichtschranken hergeleiteten Bilder eines Körpers beim Durchgang durch die beiden Lichtschranken ermöglicht, Verunreinigungen dieser Lichtschranken oder das Abwandern der Kennwerte eines elektronischen Bauelements zu erkennen und zu beheben, und die quantitative Auswertung ungleicher Bilder ermöglicht, eine fehlerhafte Geschwindigkeitsmessung zu berichtigen.
Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform des Messwertgebers gemäss der Fig. 2 konnten die Gehäuse für die Lichtsender und die Lichtempfänger bis zu einem Abstand von 1 m gegeneinander verschoben werden. Der in Messrichtung gemessene und die Messstrecke bestimmende Abstand zwischen den Ein- und Ausgangsblenden der beiden Lichtschranken betrug 900 mm, die zugelassene Toleranz + 0,2 mm. Die Einund Augangsblenden hatten eine quer zur Messrichtung gemessene Länge vonl50 mm und eine in der Messrichtung gemessene Breite von 2,5 mm. Die stirnseitige Höhe der beiden Gehäuse betrug nur 60 mm. Der Anstellwinkel, der zum Schutz der optischen Teile des Messwertgebers bei der Messung von Geschossgeschwindigkeiten in unmittelbarer Nähe der Waffenmündung vorgesehenen Schirme betrug 10 gegen die Horizontale.
Die verwendeten Lichtschranken entsprachen im Prinzip den Lichtschranken gemäss der Fig. 3. Als Lichtquellen wurden drei Halogenpunktlichtlampen verwendet. Jeder optische Querschnittswandler enthielt mehrere tausend Glasfasern mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 70 pm, die in den aufgefächerten Enden der Wandler in einer etwa 0,4 mm breiten Zeile angeordnet waren. Zum Schutz des Innenraums der beiden Gehäuse waren die Innenflächen der Lichtein- und -austrittsblenden mit einem Abdeckglas verschlossen. Das aus der Lichtaustrittsfläche austretende Lichtbündel hatte in der Messrichtung einen Öffnungswinkel von etwa 10. Es wurden Messungen an Körpern mit einem für die Abschattung wirksamen Durchmesser zwischen 1 bis 150 mm durchgeführt, bei Geschwindigkeiten zwischen 20 bis 2000 m/sec.
Die in senkrechter Richtung gemessene Länge der Lichtschranke entsprechend dem freien Abstand der beiden Gehäuse voneinander war bei diesen Messungen gleich oder kleiner als das 50fache des wirksamen Körperdurchmessers. Die reproduzierbare Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessungen lag bei i 0,15%.
Der Messwertgeber ist weitgehend unempfindlich auf Fremd- und Streulicht, ist einfach zu transportieren und weist eine grosse Langzeitstabilität auf. Die Ausgangssignale können mit unterschiedlichen, der jeweiligen Aufgabenstellung angepassten elektrischen Geräten weiterverarbeitet werden.
Es versteht sich, dass die vorgenannten mechanischen Abmessungen und die Ausbildung der optischen Querschnittswandler an spezielle Messungen angepasst werden können, oh- ne dadurch die erfindungsgemäss erreichten Vorteile zu beeinträchtigen.
DESCRIPTION
The present invention relates to a light barrier with a light transmitter for generating a directional light beam and a light receiver, which is illuminated by this light beam and contains a photoelectric component.
In a simple light barrier in use, the light transmitter consists of a light source, which is followed by a condenser, and an exit diaphragm, which limits the light exit surface of the transmitter and thus the cross section of the light beam emerging from the transmitter. The light receiver usually consists of a photoelectric component, which is designed as an exposure-dependent current or voltage source or as an exposure-dependent resistor, a collecting lens presented to this component and an inlet aperture provided in particular for covering stray light incident on the side and determining the light entrance surface of the receiver. Such light barriers are usually used as non-contact sensors which generate a switching signal when the light beam forming the actual barrier is completely covered.
A quantitative evaluation of the analog output signal of the photoelectric component corresponding to a partial coverage is not necessary with the conventional light barriers and is also not practically possible. The luminance of the light exit surface of the light transmitter is not constant over the entire area, and the light bundle emerging from the light exit surface and the light bundle entering the light receiver through the light entry surface have opening angles that are too large. The consequence of this is that a partial interruption of the light beam causes shadowing of the light entry surface or a corresponding output signal of the photoelectric component, which is dependent on the position of the body generating the interruption both in the radial and in the axial direction of the light beam.
The present invention was therefore based on the object of creating a light barrier whose light transmitter generates a light beam which is practically homogeneous over its entire cross section and whose light receiver generates an output signal which corresponds to the shading of the light entry surface by a body introduced into the light beam.
According to the invention, this object is achieved with a light barrier of the type mentioned at the outset, in which an optical cross-sectional transducer is assigned to a transmitter-side light source and the receiver-side photoelectric component, the light entry surface of the transmitter-side and the light exit surface of the receiver-side transducer being practically circular and the light exit surface of the transmitter-side and the light entry surface of the receiver-side transducer are linear.
The light barrier according to the invention makes it possible to generate a very narrow, practically homogeneous light beam with a minimal opening angle over an entire cross-section, as well as shading on the light entrance surface of the light receiver independent of the location of a shading body in this light beam, and thus an analog output signal which prevents the shadowing of the Light entry area is proportional to the corresponding cross section of the body.
Preferred applications of this light barrier are therefore devices for determining the cross-section causing shading or cross-sectional changes in the body, for example the continuous monitoring of the thickness of a continuous thread or wire and the triggering of a switching signal when a body with a conical or ogival cross-section in the direction of movement has penetrated into the light barrier to a predetermined thickness. The latter property is particularly important if the period of time that a body needs to travel through the distance between two light barriers arranged one behind the other in the direction of movement of the body is to be determined with great accuracy.
Devices for measuring the speed of a body using two spaced-apart light barriers are known. For example, DE-OS 33 18 378 describes a device for measuring the speed of a projectile fired by a hand or hand gun. This device contains a measuring device with two light barriers and an electronic circuit which calculates and displays the flight speed from the time interval between the timing pulses generated by the light barriers when flying through a projectile and the known distance between the two light barriers.
The measuring device consists of two box-shaped housings, which are arranged on both sides of the trajectory of the projectile. The light transmitters and the light receivers of the two light barriers are arranged in one housing. Each light transmitter consists of a light source, an adjuster condenser and a slit-shaped light exit opening, which is aligned transversely to the trajectory of the projectile. Each light receiver contains a slit-shaped light entry opening, which is arranged exactly opposite the light exit opening of the light source, a re-positioned cylindrical lens, the optical axis of which runs transversely to the slit-shaped opening or parallel to the trajectory of the projectile, and a photoelectric component. The individual parts of the light transmitter and receiver belonging to a light barrier are arranged along a common optical axis.
The distance between these optical axes measured in the direction of flight of the projectile determines the length of the measuring section.
The disadvantages of this device are obvious. The condensers assigned to the light sources do not allow homogeneous illumination of the light exit opening and also do not limit the opening angle of the emerging light bundle to a minimum value. Likewise, the cylindrical lenses assigned to the light entry openings with the optical axis oriented transversely to the longitudinal direction of the entry opening do not permit a change in illumination of the photoelectric component which is independent of the location of the shading on the entry opening.
The use of individual light sources for each of the light barriers makes it difficult or impossible to have a uniform luminance in the two outlet openings and thus also a uniform illuminance of the two inlet openings, which further has the consequence that the same object has different changes in the illuminance on the light when flying through the two light barriers Photoelectric component and correspondingly different analog output signals generated.
These deficiencies add up when measuring the speed of a body with a conical or ogival tip, because then the timer signal generated at a preset value of the analog output signal appears at different depths of penetration of the body or projectile into the light barriers, which in turn occurs changes in the measuring section depending on the object or floor.
The present invention therefore also relates to a sensor with light barriers according to the invention for a device for measuring the speed of a body by determining the time required to cover a distance defined by two spaced-apart light barriers, which sensor is characterized by two in parallel mutually arranged, plate-shaped housing, one of which is intended for receiving the light transmitter and the other for receiving the light receiver of the two light barriers, which housing in the mutually facing walls each have two parallel, slot-shaped and mutually opposite openings, the distance from each other the length of the Measuring distance determined.
The measuring transducer according to the invention makes it possible for the speed measurement that the time pulses are generated when the body or the projectile has the same penetration depth in each of the light barriers. As a result, the actual measuring path is independent of the shape and location of the body or projectile in the light barrier and corresponds exactly to the mechanical distance between the two light barriers, which further enables the measuring accuracy to be significantly improved.
In a preferred embodiment of the transmitter, the light entry surfaces of the two transmitter-side light guides are arranged adjacent to the same light source, which ensures the same luminance of the two light exit surfaces.
An exemplary embodiment of the light barrier according to the invention and of the measured value transmitter are described below with the aid of the figures. Show it:
1 is a schematic representation of an embodiment of the light barrier according to the invention,
2 shows the sketched mechanical structure of an embodiment of the sensor according to the invention with two light barriers,
3 shows the schematic representation of a preferred embodiment of the two optical cross-sectional transducers in the transmitter according to FIG. 2,
4 shows the basic diagram of a circuit for amplifying the analog output signal of the photoelectric component,
5 shows the basic diagram of a circuit for generating a timer pulse when the analog output signal of the photoelectric component reaches a preset value,
Fig.
6 and 7 show the output signals of a light barrier of the sensor according to FIG. 2 made visible on a digital storage cathode ray oscillograph when two different missiles fly through.
The light barrier shown schematically in Fig. 1 consists of a light transmitter 10 and a light receiver 11. The light transmitter includes a light source 12, a condenser 13 and an optical cross-section converter 14. The light entry surface 16 of the converter facing the light source has a circular cross-section, and that The light exit surface 17 (not visible in the figure) is drawn apart in a fan shape to form a narrow line. A cylindrical lens 18 and a mechanical exit aperture 19 are arranged in front of the light exit surface. The axis of this cylindrical lens is aligned parallel to the line-shaped light exit surface of the cross-sectional converter and the output diaphragm.
The light receiver contains a mechanical input aperture 21, which is exactly opposite to the output aperture 19 of the light transmitter, behind it a cylindrical lens 22, an optical cross-sectional converter 23 and a photoelectric component 24. The entrance surface 26 of the optical cross-sectional converter adjacent to the cylindrical lens is fanned out in a row, while that of the photoelectric component facing light exit surface 27 (not shown in the figure) has a circular cross-section.
The axis of the cylindrical lens 22 runs parallel to the longitudinal direction of the input aperture 21 and the light entry surface 26.
When this light barrier is operated, light generated by the light source 12 is guided by the condenser 13 onto the entry surface 16 of the optical cross-sectional converter 14. The cross-sectional converter preferably consists of a bundle of light-conducting fibers, which enables the formation of a very narrow line-shaped exit surface 17 which has a homogeneous luminance if the fiber bundle consists of mixed fibers. The light emerging from the exit surface is bundled by the cylindrical lens 18 into a lightly dispersing light curtain, the cross section of which is determined by the exit aperture 19.
The light curtain falls through the opposing input diaphragm 21, which is primarily intended to intercept stray light incident on the side, onto the cylindrical lens 22 and is focused by the latter onto the light entry surface 26 of the optical cross-sectional converter 23. The light introduced into the cross-sectional converter exits again at its exit surface 27 and illuminates the photoelectric component 24, which generates an electrical signal corresponding to the illumination. The optical cross-sectional converter 23 in the light receiver likewise preferably consists of mixed optical fibers, with the result that a partial interruption of the light curtain and corresponding localized shading of the light entry surface on the entire light exit surface 27 bring about a uniform change in the luminance.
The embodiment of a transducer shown in FIG. 2 for a device for measuring the speed of a body contains a base plate 31 to which a vertically standing support rail 32 is attached. The carrier rail has two guide grooves 33, 34 which run perpendicularly and parallel to one another and in which two horizontally arranged, plate-shaped housings 36, 37 are displaceably guided relative to one another. In the upper housing 36, two light transmitters are installed, each of which contains the same parts as the light transmitter shown in FIG. 1, but whose optical cross-sectional converter is bent by 900 in the area of the fan-shaped spread, which will be described with reference to FIG. 3.
The upper housing has two slot-shaped openings (not visible in the figure) in the wall facing the lower housing, which run transversely to the longitudinal direction of the housing and form the exit diaphragms of the light transmitters, which define the cross section of the light curtains and their distance D from one another the length the measuring section. The upper housing also contains a stabilizing voltage source which can be connected directly to a power supply via an outer cable 38 and which generates the stabilized supply voltage for the light source.
The light receivers are installed in the lower housing 37, which likewise correspond in principle to the light receiver shown in FIG. 1, but have an optical cross-sectional transducer bent by 90 in the area of the light entry surface. In the wall facing the upper housing, two slit-shaped openings 39, 41 are machined, which are exactly opposite the slit-shaped openings in the upper housing and form the entrance panels for the light receivers.
In the lower housing 37 further electronic circuits are installed, which amplify the analog output signals of the photoelectric components of the two light barriers and lead to an assigned BNC socket 42, where the amplified signal can be taken off for further evaluation, as well as circuits which generate a timer pulse, when the analog signal reaches a predetermined value, which timer pulses can be taken from a further BNC socket 43.
In a transducer that is to be used to measure the speed of projectiles and in particular in the minting area of the corresponding weapon, special shields 46, 47 are preferably attached to the two housings and to the end faces facing the weapon, which shields the end faces of the housing and the Protect effective, slit-shaped openings in the walls of the housing that delimit the firing channel from flying fragments, bullet deposits and other contaminants.
3 schematically shows two light barriers which are particularly well suited for installation in a sensor according to FIG. 2, the optical cross-section converters 51, 52 of the light transmitters are in three arms 53, 54, 55 and 57, 58 in the light entry area , 59 divided, and the associated light entry surfaces are each assigned in pairs to a point light source 61, 62, 63. In the area of the light exit surface 64 or 66 fanned out into a narrow line, the cross-sectional converters are bent by 90.
The optical cross-sectional converters 68, 69 of the two light receivers are bent by 900 in the area of the fanned-out light entry surfaces 71 and 72 and otherwise practically do not differ from the light receiver according to FIG. 1. This applies in particular to those in front of the line-shaped light exit or light entry surfaces Arranged cylindrical lenses and those input screens that precede them, which are not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.
The division of the optical cross-section converters of the light transmitters in the light entry area enables the light of several and, in the example described, three lamps to be introduced into the converter. Arranging the light entry surfaces of the two cross-sectional converters in pairs on opposite sides of a light source ensures that the luminance of the line-shaped light exit surfaces of the two converters is the same. The bending of the optical cross-sectional transducers in the area of the fan-shaped expansion enables a flat overall height of the housing, which can be very important if the sensor is used to measure the speed of projectiles at a short distance from the muzzle of a weapon, where the pressure wave accompanying each projectile is at strongest is.
FIG. 4 shows the basic diagram of a known circuit for amplifying the analog output signal of a photoelectric component, which is assigned to the light exit end of a photoelectric converter in a light receiver. The photodiode 81, which corresponds to the photoelectric device shown in FIG. 1, is connected in series with a resistor 82, and the series circuit is connected to a voltage source (not shown). A line leads from connection point 83 to the base of a pnp transistor 84, which is connected to an npn transistor 86 in a known manner to form a current amplifier. The output of this amplifier is connected to the BNC socket 43 shown in FIG. 2, from which the amplified analog signal can be taken.
5 shows the basic diagram of a circuit for generating a timer pulse as soon as the analog output signal of the photodiode 81 reaches a preset value. This circuit contains an input capacitor 90, one connection of which is connected to the connection point 83 of the series circuit of photodiode and resistor shown in FIG. 4. The other connection of the capacitor is connected to an input of an operational amplifier 91 connected as an amplifier, the output of which is connected to an input of a further operational amplifier 92 connected as a comparator. The other input of the second operational amplifier is connected to a device 93 for setting a comparison voltage, and a line leads from the output to the BNC socket 42, from which the timer pulses can be taken.
The signal generator described enables that when a body flies through one of the two light barriers, the electrical signal appearing at the output of the assigned photoelectric component and corresponding to the cross section of the body effective for switching off the light receiver is amplified and the amplified signal is measured with a voltage measuring device or with digitize a suitable circuit and then visualize it with a storage oscillograph. FIG. 6 shows the image on the screen of an oscillograph when a propelling piston projectile passes through one of the two light barriers. The image consists of a sequence of digital signals derived by sampling the amplified analog signal at a frequency of 10 MHz.
The duration of the individual digital signals was 15 nsec, and the horizontal deflection speed of the cathode ray corresponded to 18 sec / cm. (In this type of display, adjacent discrete signals with little different amplitudes run to a closed line, while signals with very different amplitudes are visible as individual points.) The image clearly shows the envelope curve 101 of the projectile and the one following the projectile, which is halved in the longitudinal axis Driving piston remainder 102.
FIG. 7 shows an image of a tracer projectile corresponding to FIG. 6. For this image, the digital signals were inverted and the original signals were recorded by the oscillograph together with the inverted signals, a complete envelope curve 103 of the projectile and individual points of the envelope curve 104 of the light trace becoming visible. The horizontal deflection speed of the cathode beam corresponded to 25 sec / cm in this picture.
The possibility of mapping the contours of a body moving through the two light barriers of the sensor has great practical importance for the accuracy of the speed measurement. If a light exit or light entry surface of the light barriers is dirty or the two photoelectric components generate unequal output signals, for example due to aging with the same lighting, then the time course of the amplitude of the analog output signal varies depending on the depth of penetration of a body with a conical or ogival tip. Different temporal courses of the analog signals also have the consequence that these signals reach the threshold value at which the timer pulse is triggered at different depths of penetration of the body into the light barrier.
The different penetration depths also correspond to a change in the length of the measuring section defined by the distance between the light barriers, which ultimately falsifies the calculated speed. The visual comparison of the images of a body derived from the output signals of the two light barriers as they pass through the two light barriers makes it possible to detect and remedy contamination of these light barriers or the migration of the characteristic values of an electronic component, and the quantitative evaluation of uneven images enables an incorrect speed measurement to rectify.
In a tried and tested embodiment of the sensor according to FIG. 2, the housings for the light transmitters and the light receivers could be shifted up to a distance of 1 m apart. The distance between the inlet and outlet panels of the two light barriers measured in the measuring direction and determining the measuring distance was 900 mm, the permitted tolerance + 0.2 mm. The inlet and outlet diaphragms had a length of 150 mm measured transversely to the measuring direction and a width of 2.5 mm measured in the measuring direction. The front height of the two housings was only 60 mm. The angle of attack, which was provided for the protection of the optical parts of the sensor when measuring the bullet speeds in the immediate vicinity of the muzzle, was 10 against the horizontal.
In principle, the light barriers used corresponded to the light barriers according to FIG. 3. Three halogen point light lamps were used as light sources. Each optical cross-section converter contained several thousand glass fibers with a diameter in the range from 50 to 70 μm, which were arranged in a row about 0.4 mm wide in the fanned out ends of the converters. To protect the interior of the two housings, the inner surfaces of the light entry and exit covers were sealed with a cover glass. The light beam emerging from the light exit surface had an opening angle of approximately 10 in the measuring direction. Measurements were carried out on bodies with a diameter between 1 and 150 mm effective for shading, at speeds between 20 and 2000 m / sec.
The length of the light barrier measured in the vertical direction corresponding to the free distance between the two housings was equal to or less than 50 times the effective body diameter in these measurements. The reproducible accuracy of the speed measurements was 0.15%.
The transmitter is largely insensitive to extraneous and scattered light, is easy to transport and has great long-term stability. The output signals can be further processed with different electrical devices adapted to the respective task.
It goes without saying that the aforementioned mechanical dimensions and the design of the optical cross-sectional transducers can be adapted to special measurements without thereby impairing the advantages achieved according to the invention.