DD293194A5 - Optischer neigungssensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Neigungssensor zum Messen der Neigung von Bezugsflaechen an Geraeten, Bauteilen und sonstigen Objekten, bei dem ein ausgesendetes optisches Strahlenbuendel eines breiten Wellenlaengenbereiches mit in sich parallelem Verlauf von einem Empfangselement erfaszt und anschlieszend ausgewertet wird und dessen Sendeelement dem Neigungsverhalten der Bezugsflaeche identisch folgend angeordnet ist, wobei dem Sendeelement ein Empfangselement fluchtend gegenueber und ebenfalls dem Neigungsverhalten der Bezugsflaeche identisch folgend befestigt ist, und dasz im Strahlengang zwischen beiden Elementen ein optisches Spektrometer mit wellenlaengenselektiven Eigenschaften dem Neigungsverhalten der Bezugsflaeche nicht folgend an einem Pendel angeordnet ist. Fig. 1{optischer Neigungssensor; Messen; Neigung; optisches Strahlenbuendel; paralleler Verlauf; Empfangselement; Sendeelement; Strahlengang; Wellenlaengenbereich; Spektrometer; Gitter-Spektrograph}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung Anwendungsgtat de Erfindung Die Erfindung betrifft einen optischen Neigungssensor zum Messen der Neigung von Bezugsflechen an Geraten, Bauteilen und

sonstigen Objekten, bei der ein ausgesendetes optisches Strahlenbündel eines breiten Wellenlängenbereiches mit in sichparallelem Verlauf von einem Empfangselement erfaßt und anschließend ausgewertet wird, wobei das Sendeelement dem

Neigungsverhalten der Bezugsflache identisch folgend angeordnet ist. Die Anwendung der Erfindung ist an Geräten, Behaltern, Baukörpern u. a. zweckmäßig, welche der ständigen Kontroll«, Anzeige

und Signalisierung der Neigung von Grund- oder Bezugsflächen bedürfen, insbesondere auch in explosionsgeflhrdetenBereichen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist eine Vielzahl verschiedener Wirkprinzipien zur Neigungsanzeige bekannt und in Anwendung. Zu den am häufigsten eingesetzten optoelektronischen Neigungssensoren gehören Meßanordnungen, bei denen eine neigungsabhängige Ablenkung der optischen Strahlung an einer reflektierenden Fläche erfolgt, wobei die optische Strahlung von einer Lichtquelle mit parallelem Licht erzeugt und über einen optoelektronischen Empfänger erfaßt wird. Als reflektierende Flächen finden z.B. Flüssigkeitsoberflächen oder Spiegel Anwendung.

So ist beispielsweise eine Einrichtung zum Messen einer Flächenneigung in dem DO-WP 240251 beschrieben, bei der zum Ablenken der optischen Strahlung ein ebener, von mindestens drei in die Flüssigkeit eintauchenden Schwimmern getragener Reflektor mit einer der Ftüssigkeitsoberfläche abgewandten verspiegelten Fläche vorgesehen ist und daß die optische Strahlung auf die verspiegelte Fläche des Reflektors gerichtet ist, wobei sie eine in bezug auf den Behälter fest eingestellte Richtung aufweist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Schwingungen einer Flüssigkeitsoberfläche herabzusetzen, doch die Genauigkeit dieses Systems ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend. Kleine Winkel müssen auch bei der Justage optischer Elemente zueinander gemessen werden.

Bekannt ist ein Verfahren zur Ausrichtung eines Lichtwellenleiters gemäß OE-OS 3408589, bei dem ein Meßgerät vorgesehen ist, das aus einem optischen Empfänger besteht, die beide über einen Strahlenteiler an den auszurichtenden Lichtwellenleiter anschließbar sind und daß das Abbildungssystem in einer Justiereinrichtung befestigt ist, mit der Reflexionen vorübergehend realisierbar sind und mit der die Lage der Stirnfläche eines auszurichtenden Lichtwellenleiters gegenüber dem Abbildungssystem einstellbar ist. Das Abbildungssystem dieser Anordnung erfordert ebenso wie Anordnungen mit Interferometern oder anderen Laseranordnungen einen übermäßig hohen Aufwand an hochgenauen optischen Teilen. Die Nachteile der angeführten Lösungsvorschläge bestehen darin, daß alle beschriebenen Einrichtungen empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen, d. h. genauigkeitsbegrenzt, sind, weil die Auflösung direkt von der Strahlungsintensität des vorgegebenen Systems abhängt

Weiterhin ist eine optische Meßanordnung für kleine Winkel, Winkeländerungen und Winkelgeschwindigkeiten gemäß DD-WP 251613 bekannt geworden, bei der eine optische Sendeeinrichtung und zwei optische Empfänger über zwei Lichtwellenleiter mit einem Meßkopf verbunden sind, wobei die beiden Lichtwellenleiter achsparallel im Brennpuntk einer Sammellinse angekoppelt sind und der eine Lichtwellenleiter mit der optischen Sende- und Empfangseinrichtung über ein passives optisches Verzweigungselement verknüpft ist und ein schwenkbarer Spiegel mit einem vom Meßkopf ausgesendeten Strahlenbündel angeordnet ist Aus der Winkellageänderung des schwenkbaren Spiegels resultieren an den beiden Detektoren Meßsignale, die betragsmäßig entgegengesetzt verlaufende Werte beinhalten. Durch Differenzbildung wird ein der Meßgröße proportionales Meßsignal erzeugt, bei dem die Richtung der Winkeländerung des Meßobjektes erkennbar ist. Mit dieser Anordnung ist es

möglich, Störeinflüsse, welche auf die Lichtwellenleiter wirken, durch Quotientenbildung weitgehend zu eleminieren. Dies ist jedoch nur für Störungen möglich, deren Einwirkung für alle Lichtwellenleiter gleich ist. Im Bereich, in dem die Lichtwellenleiter getrennt verlaufen, tritt die oben beschriebene Genauigkeitsbegrenzung der intensitätsabhängigen Verfahren in Kraft. Weiterhin kann die eingeschränkte Dynamik der Reflexions-Meßverfahren durch Herabsetzung des Reflexionsvermögens des Spiegels z. B. Beschlagen o.a. noch verringert werden.

Zur Umgehung der genannten Nachteile intensitätsabhängiger Meßverfahren ist eine optische Einrichtung zum Messen der Neigung von Bezugsflächen vorgeschlagen worden (DD-Az. WP G 01C/336 423.6), bei der ein Empfangselement dem Neigungsverhalten nicht folgend angelenkt ist und daß eine beliebige Anzahl von Sendeelementen, deren optische Achsen parallel und in Richtung des Empfangselementes verlaufen und die jeweils Strahlung einer anderen Wellenlänge aussenden, dem Neigungsverhalten identisch folgend angeordnet sind. In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die Sendeelemente und das Empfangselement kleinkalibrige Stablinsen mit in ihrem planseitigen Brennpunkt angeordneten Lichtwellenleitern, deren freie Enden mit einer elektrooptischen, wellenlängenselektiven Ansteuer- und Auswerteeinheit verbunden sind. Mit dieser Anordnung werden erstmals durch den Einsatz unterschiedlicher Wellenlängen die Nachteile der Intensitätsverfahren ausgeschlossen. Die Verwendung jeweils einer Stablinse für jede Frequenz ist jedoch relativ aufwendig und begrenzt durch die äußeren Stablinsen-Abmessungen zugleich das Auflösungsvermögen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den technisch-ökonomischen Aufwand wesentlich zu verringern und eine höhere Meßgenauigkeit zu gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungssensor mit optischer Einrichtung zum Messen der Neigung von Bezugsflächen an Geräten, Bauteilen und sonstigen Objekten zu entwickeln, bei dem ein ausgesendetes optisches Strahlenbündel eines breiten Wellenlängenbereiches mit in sich parallelem Verlauf von einem Empfangselement erfaßt und anschließend ausgewertet wird, wobei das Sendeelement vom Neigungsverhalten der Bezugsfläche identisch folgend angeordnet ist, bei dem optische Elemente so eingesetzt sind, daß sie nur in geringem Maße von Umgebungseinflüssen beeinträchtigt werden und daß durch konstruktive Veränderung mit geringerem Aufwand eine höhere Auflösung erreicht wird (d.h., daß sich die Genauigkeit erhöht) und eine Eignung für explosionsgefährdete Bereiche gegeben ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich zwei fluchtend gegenüberstehende Sende- und Empfangselemente dem Neigungsverhalten identisch folgend, befestigt sind und daß im Strahlengang zwischen beiden Elementen ein optisches Spektrometer, dem Neigungsverhalten der Bezugsfläche nicht folgend, an einem Pendel angeordnet ist. Das Spektrometer, vorzugsweise ein Gitter spektrometer, kann linear als auch eben in Form einer Matrix, also in X-Y-Richtung aufgebaut sein. In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind das Sendeelement und das Empfangselement kleinkalibrige Stablinsen mit in ihrem planseitigen Brennpunkt angeordneten Lichtwellenleitern, deren freie Enden mit einer elektrooptischen, wellenlängenselektiven Ansteuer- und Auswerteeinheit verbunden sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die Prinzipskizze zeigt den Aufbau des gesamten Neigungssensors. Dieser besteht aus einem Empfangselement 4 und einem Sendeelement 2 mit dazugehöriger Ansteuer- und Auswerteeinheit S. Die Sende- und Empfangselemente 2 und 4 bestehen aus Stablinsen mit angekoppelten Lichtwellenleitern 6. Di*Lichtwellenleiter 6, die die Hin- und Rückleitung der Strahlung zu den Sende- bzw. Empfangselementen 2 Und 4 bewirken, sind im planseitigen Brennpunkt der Stablinsen so fixiert, daß die Strahlung als paralleles Strahlenbündel das element 2 verläßt und vom Empfangselement 4 ebenso empfangen werden kann. Im optischen Strahlengang zwischen Sende- und Empfangselement 2 und 4 befindet sich ein optisches Spektrometer 3. Während das Spektrometer 3 frei beweglich aufgehängt ist, z. B. an einem Pendel 1, sind die Sende- und Empfangselemente 2 und 4 starr mit der Bezugsfläche, deren Neigung ermittelt werden soll, verbunden. Dabei soll im Ausgangszustand das Spektrometer 3 mittig zwischen den parallel ausgerichteten optischen Achsen der Sende- und Empfangselemente 2 und 4 sein. Das Spektrometer 3 kann entweder linear—gemäß einer Geraden-oder eine Matrix bildend zur Neigungsmessung in X-Y-Richtung strukturiert sein. Von einer sich außerhalb des Neigungsmessers befindlichen Ansteuer- und Auswerteeinheit 5 werden Strahlungssignale eines breiten Wellenlängenbereiches erzeugt, über einen Lichtwellenleiter 6 bis zur Stablinse geleitet und von dieser als paralleles Strahlenbündel auf das darüber befindliche Pendel 1 mit Spektrometer 3 gerichtet. Entsprechend der Neigung der Bezugsfläche und somit der Neigung des Sendeelementes 2, trifft die Strahlung nur einen bestimmten Bereich des am Pendel 1 befindlichen Spektrometer 3, wird entsprechend spektral zerlegt und anschließend vom Empfangselement 4 empfangen. Diese spektral zerlegte Strahlung wird innerhalb der Stabiinse auf den angekoppelten Lichtwellenleiter 6 fokussiert und über diesen zum wellenlängenselektiv auswertenden Teil der Ansteuer- und Auswerteeinheit 5 zurückgeführt. Die dort erhaltene Peak-Wellenlänge ist ein Maß für die Neigung der Bezugsfjäche. Die spektrale Zerlegung der Strahlung ist für jeden Punkt des Spektrometer 3 unterschiedlich. Damit wird jede Abhängigkeit der Meßgenauigkeit vom Absolutwert der Intensität des optischen Strahlenbündels ausgeschlossen. Der Aufbau des optischen Spektrometer 3 als Matrix ermöglicht die Neigungsbestimmung richtungsabhängig im X-Y-Koordinatensystem. Die Auflösung der Anordnung kann durch Verlängerung der Länge des Pendels 1 und feinere Strukturierung des Spektrometer 3 erhöht werden. Mit der beschriebenen optischen Einrichtung ist es somit möglich, unabhängig von dem Absolutwert der Lichtintensität kleine Neigungswinkel zu bestimmen. Diese Meßeinrichtung arbeitet ohne elektrische Hilfsenergie vor Ort und ist damit für den explosionsgefährdeten Bereich geeignet. Zugleich ist es möglich, eine Fernanzeige zu realisieren. Ein Aufbau dieses Neigungssensors mit wenigen optischen Elementen ist daher mit geringem ökonomischem Aufwand möglich.

Claims (3)

1. Patent&nsprüche:

   1. Optischer Neigubgseensor zum Messen der Neigung von Bezugsflächen an Geräten, Bauteilen und sonstigen Objekten, bei dem ein ausgesendetes optisches Strahlenbündel eines breiten Wellenlängenbereiches mit in sich parallelem Verlauf von einem Empfangselement erfaßt und anschließend ausgewertet wird und dessen Sendeelement dem Neigungsverhalten der Bezugsfläche identisch folgend angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß am Sendeelement (2) ein Empfangselement (4) fluchtend gegenüber und ebenfalls dem Neigungsverhalten der Bezugsfläche identisch folgend befestigt ist und daß im Strahlengang zwischen beiden Elementen ein optisches Spektrometer (3) mit wellenlängenselektiven Eigenschaften dem Neigungsverhalten der Bezugsfläche nicht folgend an einem Pendel (1) angeordnet ist.
2. 2. Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl das Sendeelement (2} als auch das Empfangselement (4) Stablinsen mit in ihrem planseitigen Brennpunkt angeordneten Lichtwellenleitern (6) sind.
3. 3. Optische Einrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die freien Enden der Lichtwellenleiter (6) mit einer elektrooptischen wellenlängenselektiven Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (5) verbunden sind.