DD220400A1 - Optoelektronischer sensor - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINEN OPTOELEKTRONISCHEN SENSOR ZUR MESSWERTERFASSUNG, MIT DEM SEHR UNTERSCHIEDLICHE PHYSIKALISCHE GROESSEN, WIE BEISPIELSWEISE DRUCK, TEMPERATUR, LAENGENAENDERUNGEN ODER TORSIONSWINKEL GEMESSEN WERDEN KOENNEN. EINE LICHTLEITFASER, DIE DER ZU MESSENDEN GROESSE AUSGESETZT IST, IST MIT EINEM ENDE AN EINE HOCHFREQUENT MODULIERTE LICHTQUELLE, WIE Z. B. EINE LUMINESZENZDIODE VOM A HOCH 3 B HOCH 5-TYP ANGESCHLOSSEN. AM ANDEREN ENDE DER LICHTLEITFASER BEFINDET SICH EIN STRAHLUNGSEMPFAENGER, DESSEN ELEKTRISCHES SIGNAL AUF DEN ERSTEN EINGANG EINER PHASENVERGLEICHSSCHALTUNG GEFUEHRT IST, WAEHREND AUF DEN ZWEITEN EINGANG DERSELBEN EIN REFERENZSIGNAL GEFUEHRT WIRD, DAS EINE FESTE PHASENLAGE GEGENUEBER DEM MODULIERTEN LICHT BESITZT. DIE GEMESSENE PHASENVERSCHIEBUNG IST EIN MASS FUER DIE ZU BESTIMMENDE MESSGROESSE.

Description

Optoelektronischer Sensor Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, der sich zur Meßwerterfassung sehr unterschiedlicher physikalischer Größen, wie beispielsweise eines Drucks, einer Temperatur, einer Längenänderung oder eines Torsionswinkels, eignet. Der Einsatz des Sensors ist besonders in technologischen Prozessen vorteilhaft, in deren funktionsbedingtem Umfeld Meßaufgaben zu lösen sind, wie beispielsweise bei der Steuerung von peripheren Einrichtungen oder Industrierobotern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Anordnungen bekannt, bei denen die Einwirkung äußerer Einflüsse auf die Liehtübertragung in Lichtleitfasern benutzt wird, um mittels dieser Lichtleitfasern bestimmte Kontroll- und Überwachungsfunktionen auszuüben.

Beispielsweise können auf einem Körper aufgeklebte Lichtleitfasern benutzt werden, um Spannungsrisse bereits im Entstehen zu signalisieren, wenn nämlich die Lichtleitfasern zerreißen und damit die Lichtübertragung unterbrochen wird (radio fernsehen elektronik 31 (1982) 719). Eine andere Anwendung von Lichtleitfasern als Sensor ist in der Offenlegungsschrift DE 29 06 841 beschrieben. Bei dieser Anwendung wird der Ort eines Fahrzeugs dadurch bestimmt, daß der vom Fahrzeug auf die mit einer besonderem Umman~ telung umgebene Lichtleitfaser ausgeübte Druck nachweisbare Eefleze eines in der Faser laufenden Lichtimpulses

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hervorruft.

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Alle bisher bekannten Anwendungen von Lichtleitfasern als Sensoren sind jedoch an spezielle Meßaufgaben gebunden und nutzen nicht die universellen Möglichkeiten, die durch, die Änderung der optischen Eigenschaften von Lichtleitfasern unter dem Einfluß sehr unterschiedlicher Wirkungsgrößen für deren Messung bestehen.

Ziel der Erfindung .

Ziel der Erfindung ist die Erschließung neuer Einsatzgebiete für Lichtleitfasern als optoelektronische Sensoren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe, "mit Hilfe von Lichtleitfasern die Meßwerte von solchen physikalischen Größen wie Druck, Temperatur, Längenänderung oder Torsionswinkel zu erfassen. < >

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Lichtleitfaser, die der Einwirkung der zu messenden Größe ausgesetzt ist, mit einem Ende an eine hochfrequent' modulierte Lichtquelle angeschlossen ist, und daß das elektrische Signal eines am anderen Ende der Lichtleitfaser angeschlossenen Strahlungsempfängers auf den ersten Eingang einer Phasenvergleichsschaltung geführt ist, während auf den zweiten Eingang derselben ein Beferenzsignal geführt wird, das eine feste Phasenlage gegenüber dem modulierten Licht besitzt.

Da elektronische Schaltungen bekannt sind, mit denen Pha-

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senverschiebungen bis hinab zu 10 rad,registriert werden können, lassen sich bereits sehr geringe Änderungen der. Übertragungseigenschaften des Lichtleiters, die durch die Einwirkung von Druck oder Temperatur oder durch eine Dehnung oder Torsion der Lichtleitfaser hervorgerufen werden, mit hoher Empfindlichkeit nachweisen. Die Empfindlichkeit ist auch um so größer, je langer das der Einwirkung dieser Größen ausgesetzte Stück der Lichtleitfaser ist. Daher kann es vorteilhaft sein, eine Lichtleitfaser zu verwenden, die

in dem Gebiet, in dem die zu messende Größe auf sie einwirkt, mehrfach gewunden ist. Eine besonders geeignete Lichtquelle zur Erzeugung hochfrequent modulierten Lichts ist eine Lumineszenzdiode, die einen Halbleiter vom A*B -ÜJyp enthält und auf deren strahlender Fläche die Lichtleitfaser angekoppelt ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden.

In Figur 1 ist der Grundaufbau des Sensors zur Erfassung physikalischer Meßwerte dargestellt. Eine Lumineszenzdiode

1 vom A B -Typ wird über einen Verstärker 2 hochfrequent moduliert. Die Lichtleitfaser 3 ist auf der strahlenden Fläche der Lumineszenzdiode 1 an einem solchen Ort fest angekoppelt, dessen moduliertes Licht gegenüber dem Ausgangssignal des Verstärkers 2 eine feste Phasenverschiebung cP_Q besitzt. Das gegenüberliegende Ende der Lichtleitfaser ist an einen Strahlungsempfänger 4 angekoppelt, dessen Ausgangssignal auf den einen Eingang einer Phasenvergleichsschaltung 5 geführt ist, während der andere Eingang der Phasenvergleichsschaltung mit dem Ausgang des Verstärkers

2 verbunden ist. Entsprechend der Länge 1 der Faser 3 durchläuft ein Lichtstrahl die Lichtleitfaser 3 in

) Zeit t_Q (1) . Das Ausgangssignal am Strahlungsempfänger 4 ist entsprechend der Modulationskreisfrequenz co_Q gegenüber dem Modulationssignal in der Phase um den Wert

cp_a = Gp₀ + Cu₀ t_Q (1.) verschoben. Eine Temperaturänderung am Ort der Meß werterfassung bewirkt sowohl eine Längenänderung l(T) als auch eine Änderung des Brechungsindex der Lichtleitfaser 3. Dadurch ändert sich die Laufzeit t des Lichtstrahles durch die Faser 3· Gleichzeitig ändert sich die numerische Apertur der Faser 3. Die numerische Apertur der Lichtleitfaser bestimmt den öffnungswinkel eines unter dem Ankoppelpunkt der Faser an die Lumineszenzdiode gelegenen Kegels, innerhalb dessen die von den Eekom-

binationsebenen der Lumineszenzdiode ausgehenden Elementarerregungen ein hochabsorbierendes Gebiet durchlauf en'. Unter Modulationsbedingungen ist für diesen Ankoppelpunkt eine u. a. vom öffnungswinkel dieses Kegels abhängige Phasenverschiebung charakteristisch. Polglich ändert sich mit der Temperatur die Phasenlage des Lichtes am Ankoppelpunkt der Faser 3. Das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers 4· ist damit in seiner Phasenlage gegenüber dem Modulationssignal in der Form cc = Cp₁ (T) + co_ot^ (1 + Al(T)) verschoben. Die Phasenverschiebung cp_a ändert sich kontinuierlich mit der Temperatur, lird der Sensor zur Bestimmung des Druckes ρ eingesetzt, so bewirkt der veränderte Druck einen veränderten Brechungsindex der Lichtleitfaser 3. Folglich an- . dert sich sowohl die Laufzeit des Lichtstrahles in der Faser als auch die numerische Apertur der Faser und damit die Phasenlage des Lichtes am Ankoppelpunkt der Faser. Demnach ist die Phasenlage des Ausgangssignals am Strahlungs- empfänger in der Form ψ_& = ψ^ (ρ) +OJ₀^(I, η (ρ)) , vom Druck abhängig. Bei der Messung von Zugkräften F₇ an-.dert sich entsprechend dem Elastizitätsmodul E der Faser lediglich deren Länge, so daß sich die Phasenverschiebung am Ausgang des Strahl en empfänger s in der Form <p_& = · ⁴^₀ ⁰ + co« */i (1 + Δ1 (F„)) mit der Zugkraft ändert. Bei der

Ol L· ;.···ι

Bestimmung der Torsion bewirkt die dabei auftretende Tangentialspannung eine veränderte Lage der optischen Achse in der Lichtleitfaser 3» die sich in einer Veränderung der Laufzeit des Lichtstrahles äußert. Folglich ändert sich die Phasenlage des Ausgangssignals des. Strahlungsempfängers 4-in der Form ^₅₁'= % + ^₀ */j Cl + Al(T)). In Figur 2 ist eine empfindlichere Anordnung der Lichtleitfaser am Ort der Meßwerterfassung für solche Parameter wie Druck, Zug und Torsion dargestellt. Die Lichtleitfaser, ist dabei an diesem Ort als Spirale mit einem für jede TSindung gleichen Badius angeordnet. Entsprechend diesem Biegeradius r und der gesamten Faserlänge durchläuft der von der Lumineszenzdiode ausgehende Lichtstrahl die Lichtleit-

faser mit der Laufzeit t_Q (^₀). Demzufolge ist das Ausgangssignal am Strahlungsempfänger gegenüber dem Modulationssignal in der Phase um Cp = cd + ω. t(r ) " verschoben. Wirkt der Druck oder die Zugbeanspruchung in radialer Sichtung auf die Spirale, so hat die Lichtleitfaser einen von diesen Werten abhängigen Biegeradius r.. , Diese Biegeradiusänderung führt zu einer Änderung der Laufzeit des Lichtstrahles auf den Wert t- ( £, r^), der von der Größe' des Druckes oder der Zugkraft abhängt. Γ Gleichzeitig ändert sich die numerische Apertur der Faser. Damit verbunden ist eine Veränderung der geometrischen Kenngrößen des vom Emissionsgebiet der Lumineszenz-' diode ausgehenden Strahlungskegels bis zum Einkoppelpunkt, in die Lichtleitfaser. Das Licht der Lumineszenzdiode am Ankoppelpunkt besitzt nun ebenfalls eine vom Biegeradius · r^j, der seinerseits von der Größe des Druckes oder der Zugkraft abhängt, abhängige Phasenverschiebung cp^.(r^). Demzufolge ist das Ausgangssignal am Strahlungsempfänger gegenüber dem Modulationssignal nun in der Phase um

α? = Cp^Cr) + °)Λα (r^j) verschoben. Nach dem gleichen Prinzip ändert sich die Phasenverschiebung des Ausgangssignals, wenn-die Spirale in vertikaler Richtung auf Torsion beansprucht wird. Das am Ausgang der Phasenvergleichsschaltung entstehende Signal ist demnach von der am Ort der Meßwerterfassung wirkenden Größe des Druckes der Zugkraft oder der Torsion abhängig und ändert sich kontinuierlich mit der Größe dieser Parameter.

In Bild 3 ist eine empfindlichere Anordnung für sehr dünne _NKonstruktionsteile dargestellt. Dabei ist die Lichtleitfaser mäanderförmig auf das Konstruktionsteil aufgebracht. Die Phasenänderung des Ausgangssignals erfolgt nach den gleichen Prinzipien wie sie für die Spirale dargelegt wurden.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Optoelektronischer Sensor zur Meß wert erf as sung, g'e-

   'kennzeichnet dadurch, daß eine Lichtleitfaser, die der , Einwirkung der zu messenden Größe ausgesetzt ist, mit einem Ende an eine hochfrequent modulierte Lichtquelle angeschlossen ist, und^daß das elektrische Signal eines am anderen Ende der Lichtleitfaser angeschlossenen Strahlungsempfängers auf den ersten Eingang^einer Phasenvergleichsschaltung geführt ist, während auf den zweiten Eingang.derselben ein Referenzsignal geführt wird, das eine feste Phasenlage gegenüber dem modulierten Licht besitzt.
2. 2. Optoelektronischer Sensor na^ech Punkt 1,' dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser in dem Gebiet, in dem die zu messende Größe auf sie einwirkt, mehrfach gewunden ist.
3. 3. Optoelektronischer Sensor nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine hochfrequent modulierte Lumineszenzdiode vom IrB -Typ verwendet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.