DE102007057897A1

DE102007057897A1 - Optischer Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials

Info

Publication number: DE102007057897A1
Application number: DE102007057897A
Authority: DE
Inventors: Peter Paul Dr. Deimel; Thomas Pistner; Andreas Prücklmeier
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: WO2009067994A1; DE102007057897B4

Abstract

Optischer Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials (8), mit einer eine optische Strahlung emittierenden Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der Lichtquelle emittierten, eine Information über das Vorhandensein von magnetischem Material enthaltenden optischen Strahlung sowie mit einem Polarisationsfilter (5) und einem Faraday-Material (6), die im Weg der von der Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet sind, und mit einem Spiegel (7), welcher die von dem Faraday-Material (6) austretende optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter (5) hindurch zurück zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung in dem Faraday-Material (6) durch in der Nähe vorhandenes magnetisches Material (8) gedreht und eine entsprechende Änderung der Intensität der vom Polarisationsfilter (5) durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor erfasst wird. Zwischen dem Faraday-Material (6) und dem Spiegel (7) ist eine lambda/4-Platte (11) angeordnet, welche eine Drehung der Polarisationsrichtung der zum Faraday-Material (6) zurückreflektierten optischen Strahlung um 90° bewirkt. Besonders bei schwachen Magnetfeldern ist die Empfindlichkeit des Sensors dadurch wesentlich höher.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In 1 ist der schematische Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Abstand zu dem magnetischen Material 8 (permanentmagnetisches Material) wird durch die Messung des Magnetfeldes 10 bestimmt. Hierbei wird unpolarisiertes Licht über eine Multimodefaser oder auch Monomodefaser 3 dem Sensorkopf 9 zugeführt. Innerhalb des Sensorkopfes wird das Licht mit einer Linse 4 kollimiert und mit einem linearen Polarisationsfilter 5 polarisiert. Das polarisierte Licht passiert ein Faraday-Material 6 (z. B. BIG Kristall) welches unter Einwirkung eines Magnetfeldes 10 des magnetischen Materials 8 die Polarisationsrichtung des Lichtes dreht. Das Licht wird anschließend von einem Spiegel 7 reflektiert und die Polarisation wird beim erneuten Passieren des Faraday-Materials 6 weiter gedreht. Durch die gedrehte Polarisation lässt das Polarisationsfilter 5 je nach dem Maß der Verdrehung der Polarisation nur einen Teil des reflektierten Lichts durch. Hierbei folgt die Transmission des Polarisationsfilters einer Cosinusfunktion wie in 2 dargestellt. Da die Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts durch ein auf das Faraday-Material einwirkendes Magnetfeld gering ist, ist die Änderung der Transmission des Polarisationsfilters 5 ebenfalls gering. Die Linse 4 koppelt anschließend das Licht zurück in die Faser 3 ein, welche das in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke gedämpfte Licht zurück zu einer Auswerteeinheit führt. Die Intensität des zurückgeführten Lichts gibt Aufschluß über den Abstand des magnetischen Materials zu dem Sensorkopf. Ein optischer Näherungssensor dieser Art ist aus der US 6 498 654 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es einen optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials mit verbesserter Empfindlichkeit für magnetische Materialien zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Näherungssensors sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein optischer Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials geschaffen, mit einer eine optische Strahlung emittierenden Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der Lichtquelle emittierten, eine Information über das Vorhandensein von magnetischem Material enthaltenden optischen Strahlung, sowie mit einem Polarisationsfilter und einem Faraday-Material, die im Weg der von der Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet sind, und mit einem Spiegel, welcher die von dem Faraday-Material austretende optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter hindurch zurück zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung in dem Faraday-Material durch in der Nähe vorhandenes magnetisches Material gedreht und eine entsprechende Änderung der Intensität der vom Polarisationsfilter durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor erfasst wird. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Faraday-Material und dem Spiegel eine 1/4-Platte angeordnet, welche eine Drehung der Polarisationsrichtung der zum Faraday-Material zurückreflektierten optischen Strahlung um 90° bewirkt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Näherungssensors ist der Lichtquelle eine optische Multimodefaser/Monomodefaser nachgeschaltet, über welche die optische Strahlung von der Lichtquelle zu dem Polarisationsfilter geführt wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Näherungssensors ist zwischen der optischen Multimodefaser/Monomodefaser und dem Polarisationsfilter eine Kollimatorlinse angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Näherungssensors sind der Polarisationsfilter, das Faraday-Material, die λ/4-Platte und der Spiegel in einem Sensorkopf zusammengefasst angeordnet, der über die optische Multimodefaser/Monomodefaser mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in welcher die Lichtquelle und der optische Detektor zusammengefasst vorgesehen sind, wobei die optische Strahlung von der Lichtquelle über die Multimodefaser/Monomodefaser zum Sensorkopf und von diesem über die Multimodefaser zurück zur Auswerteeinheit geführt wird.
Der Spiegel kann durch ein eigenes Element gebildet sein.
Alternativ kann der Spiegel durch eine reflektierende Endfläche auf der λ/4-Platte gebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Näherungssensor als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore vorgesehen, welche ein magnetisches Material enthalten oder aus einem solchen bestehen.
Der Näherungssensor kann mit Vorteil als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs vorgesehen sein.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials nach dem Stand der Technik;
2 ein Diagramm, welches die Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der gedrehten Polarisationsrichtung des Lichts einer Cosinusfunktion folgend zeigt, wie es bei dem in 1 gezeigten Näherungssensor nach dem Stand der Technik der Fall ist;
3 in schematischer Darstellung den Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Diagramm, welches die Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der gedrehten Polarisationsrichtung des Lichts einer Sinusfunktion folgend zeigt, wie es bei dem in 3 gezeigten Näherungssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Fall ist; und
5 ein Diagramm, welches die prozentuale Änderung der Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der Drehtung der Polarisationsrichtung des Lichts für den in 3 gezeigten Näherungssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verglichen mit dem in 1 gezeigten Näherungssensor nach dem Stand der Technik wiedergibt.
In 3 ist der schematische Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Abstand zu dem magnetischen Material 8 (permanentmagnetisches Material) wird durch die Messung des Magnetfeldes 10 bestimmt. Hierbei wird unpolarisiertes Licht über eine Multimodefaser/Monomodefaser 3 dem Sensorkopf 9 zugeführt. Innerhalb des Sensorkopfes wird das Licht mit einer Linse 4 kollimiert und mit einem linearen Polarisationsfilter 5 polarisiert. Das polarisierte Licht passiert ein Faraday-Material 6 (z. B. BIG Kristall) welches unter Einwirkung eines Magnetfeldes 10 des magnetischen Materials 8 die Polarisationsrichtung des Lichtes dreht. Das Licht wird anschließend von einem Spiegel 7 reflektiert und die Polarisation wird beim erneuten Passieren des Faraday-Materials 6 weiter gedreht. Durch die gedrehte Polarisation lässt das Polarisationsfilter 5 je nach Verdrehung der Polarisation nur einen Teil des reflektierten Lichts hindurch. Die Linse 4 koppelt anschließend das Licht zurück in die Faser 3 ein, welche das in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke gedämpfte Licht zurück zu einer Auswerteeinheit führt. Die Intensität des zurückgeführten Lichts gibt Aufschluß über den Abstand des magnetischen Materials zu dem Sensorkopf.
Durch Einbringung einer λ/4 Platte 11 zwischen Faraday-Material 6 und Spiegel 7, wie in 3 dargestellt, ist die Richtung der Polarisation des Lichtes bei doppeltem Durchgang durch die λ/4 Platte 11 um 90° gedreht. Die Empfindlichkeit des Sensorkopfes ist erhöht, die Empfindlichkeitskurve des optischen Naherungssensors für magnetische Materialien ist von der oben erwähnten Cosinusfunktion beim Stand der Technik in eine Sinusfunktion geändert.
Wirkt kein Magnetfeld auf das Faraday-Material 6 so steht die Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters 5 und des reflektierten Lichtes senkrecht aufeinander. Die Transmission des Polarisationsfilters 5 ist hierbei Null. Unter Einwirkung eines Magnetfeldes auf das Faraday-Material 6 wird die Polarisation des Lichts weiter gedreht und die Transmission des Polarisationsfilters 5 nimmt gemäß einer Sinusfunktion zu, wie in 4 zu sehen ist.
5 zeigt ein Diagramm, welches die prozentuale Änderung der Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts für den in 3 gezeigten Näherungssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung (obere Kurve) verglichen mit dem in 1 gezeigten Näherungssensor nach dem Stand der Technik (untere Kurve) wiedergibt. Nimmt man beispielsweise eine Drehung von 40° der Polarisationsrichtung des Lichts durch Einwirkung eines Magnetfeldes 10 auf das Faraday-Material 6 an, so bewirkt dies eine Änderung der Transmission von 64% im Gegensatz zu 23% bei einer Cosinusfunktion, wie es in 5 dargestellt ist. Die Empfindlichkeit des Sensors einer Sinusfunktion folgend ist fast um den Faktor 3 höher. Besonders bei schwachen Magnetfeldern kann die Empfindlichkeit des Sensors einer Sinusfunktion folgend bis zu 20 Mal höher sein.
Der Spiegel 7 kann ein eigenes Element sein oder durch Aufbringen von geeigneten Materialien auf die Endflache der λ/4 Platte 11 realisiert sein.
Die 1/4 Platte 11 kann auch zwischen den Polfilter 5 und dem Faraday-Material 6 angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6498654 [0002]

Claims

Optischer Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials (8), mit einer eine optische Strahlung emittierenden Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der Lichtquelle emittierten, eine Information über das Vorhandensein von magnetischem Material enthaltenden optischen Strahlung, sowie mit einem Polarisationsfilter (5) und einem Faraday-Material (6), die im Weg der von der Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet sind, und mit einem Spiegel (7), welcher die von dem Faraday-Material (6) austretende optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter (5) hindurch zurück zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung in dem Faraday-Material (6) durch in der Nähe vorhandenes magnetisches Material (8) gedreht und eine entsprechende Änderung der Intensität der vom Polarisationsfilter (5) durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Faraday-Material (6) und dem Spiegel (7) eine λ/4-Platte (11) angeordnet ist, weiche eine Drehung der Polarisationsrichtung der zum Faraday-Material (6) zurückreflektierten optischen Strahlung um 90° bewirkt.
Optischer Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtquelle eine optische Multimodefaser/Monomodefaser (3) nachgeschaltet ist, über welche die optische Strahlung von der Lichtquelle zu dem Polarisationsfilter (5) geführt wird.
Optischer Näherungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optischen Multimodefaser/Monomodefaser (3) und dem Polarisationsfilter (5) eine Kollimatorlinse (4) angeordnet ist.
Optischer Näherungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsfilter (5), das Faraday-Material (6), die λ/4-Platte (11) und der Spiegel (7) in einem Sensorkopf (9) zusammengefasst angeordnet sind, der über die optische Multimodefaser/Monomodefaser (3) mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in welcher die Lichtquelle und der optische Detektor zusammengefasst vorgesehen sind, wobei die optische Strahlung von der Lichtquelle über die Multimodefaser/Monomodefaser (3) zum Sensorkopf (9) und von diesem über die Multimodefaser/Monomodefaser (3) zurück zur Auswerteeinheit geführt wird.
Optischer Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (7) durch ein eigenes Element gebildet ist.
Optischer Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (7) durch eine reflektierende Endfläche auf der λ/4-Platte (11) gebildet ist.
Optischer Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore vorgesehen ist, welche ein magnetisches Material enthalten oder aus einem solchen bestehen.
Optischer Näherungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs vorgesehen ist.