-
Die
Erfindung betrifft einen positionsanzeigenden Näherungssensor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
In
1 ist
der schematische Aufbau eines solchen optischen Näherungssensors
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
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.
-
Aus
der
EP 0 587 708 B1 sind
eine Anzahl von Anordnungen bekannt, welche dazu dienen, eine Änderung
des Polarisationszustandes von Licht zu erfassen, welche in einem
transparenten Material durch den magnetooptischen Faraday-Effekt, durch elektrische
Felder oder durch mechanische Spannungen hervorgerufen wird. Bei
einer dieser Anordnungen, die als magnetooptischer Sensor vorgesehen
und in
6A dieser Druckschrift dargestellt
ist, ist am Ende einer optischen Faser ein magnetooptisches Element
vorgesehen, welches mit einem Spiegel versehen ist, so dass die über die
optische Faser eintretende optische Strahlung nach zweimaligem Durchlaufen
des magnetooptischen Elements wieder über die optische Faser zurückgeleitet
wird. An der optischen Faser ist ein Polarisator vorgesehen und zwischen
diesem und dem magnetooptischen Element ist ein λ/4-Plättchen angeordnet, so dass
sich eine Gesamtphasenverschiebung von λ/2 der im magnetooptischen Element
reflektierten optischen Strahlung ergibt. Bei der bekannten Sensoranordnung
der wird das mittels des Polarisators linear polarisierte Licht
durch das λ/4-Plättchen in
einen zirkularen Polarisationszustand gebracht, es ist also zirkular
polarisiertes Licht, welches das magnetooptische Element durchdringt.
-
Aus
der
US 5 644 397 sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
von Magnetfeldsensoren bekannt, welche zum Erfassen von einen elektrischen Strom
in einem Leiter repräsentierenden
oder von anderen Magnetfeldern vorgesehen sind. Bei einem in
3 dieser
Druckschrift dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein magnetooptisches Material vorgesehen, um lokale Magnetfelder
zu messen. Ähnlich
wie bei der Sensoranordnung der o. g.
EP 0 587 708 B1 ist auch hier zwischen dem
faseroptischen Leiter und dem magnetooptischen Material ein λ/4-Plättchen vorgesehen,
das dem gleichen Zweck dient, nämlich
das linear polarisierte Licht vom Polarisierer in zirkular polarisiertes
Licht zu verwandeln, welches das magnetooptische Material hin zum
Spiegel und wieder von diesem zurück durchläuft.
-
Die
Druckschrift
EP 1 619
513 A2 beschreibt einen weiteren faseroptischen Magnetfeldsensor, welcher
zur Messung des Stroms in einem Leiter vorgesehen ist.
-
Wie
aus 1 und der zugehörigen Beschreibung in dieser
Druckschrift hervorgeht, ist das magnetooptische Material in Form
einer optischen Faser vorgesehen, welche den stromdurchflossenen Leiter
in einer Windung umgibt und an deren Ende ein Reflektor vorgesehen
ist. Auch hier wird das mittels eines Polarisierers linear polarisierte
Licht über ein λ/4-Plättchen in
zirkular polarisiertes Licht umgewandelt, welches dann die magnetooptische
Faser bis zum Reflektor und von dort zurück durchläuft.
-
Ein
weiterer faseroptischer Stromsensor ist aus der
DE 10 2005 043 322 A1 bekannt.
Auch dort ist ein λ/4-Plättchen vorgesehen,
welches linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht
umwandelt, das sich dann in einer den stromdurchflossenen Leiter
umgebenden Erfassungsfaser ausbreitet und an einem Spiegel reflektiert
wird.
-
Von
Cecelja, F. et al.: Optical Sensors for the Validation of Electromagnetic
Field Distributions in Biological Phantoms, Proceedings SPIE 1995,
Bd. 2510, S. 244–254,
wird ein magnetooptischer Sensor beschrieben, welcher ein magnetooptisches
Element enthält,
das von der optischen Strahlung einer Laserdiode durchdrungen wird,
wobei im Weg der optischen Strahlung vor dem magnetooptischen Element ein
Linearpolarisator und nach dem magnetooptischen Element ein Strahlteiler
mit jeweiligen um +45° bzw. –45° gegen den
erstgenannten Polarisator verdrehten Analysatoren angeordnet sind.
Mittels der beiden Analysatoren wird die Verdrehung der Polarisationsrichtung
des linear polarisierten Lichtes innerhalb des magnetooptischen
Elements erfaßt
und zur Bestimmung des zu messenden Magnetfeldes ausgewertet. Ein λ/4-Plättchen ist
hierbei nicht vorgesehen, vgl. 8 und
zugehörige
Beschreibung unter 4.2 ”A
Sensor Design”.
-
Die
DE 198 01 632 C2 beschreibt
eine Reflexlichtschranke zur Erkennung transparenter, polarisierender
Materialien, sowie ein Verfahren zur Verbesserung der Störsicherheit
einer solchen. Ein magnetooptisches Material zur Erfassung von Magnetfeldern
ist hier nicht vorgesehen.
-
Aus
der
DE 38 77 543 T2 ist
ein faseroptischer Sensor zum Messen einer physikalischen Größe bekannt,
wobei ein Meßstrahl
durch einen Gegenstand beeinflußt
und mit einem Referenzstrahl verglichen wird. Zum Übertragen
von Referenz- und Meßstrahl
zwischen dem optischen Sensor und einer Auswerteeinrichtung ist
eine optische Faser vorgesehen. In dieser werden der Meßstrahl
und der Referenzstrahl als linear polarisiertes Licht mit um 90° gegeneinander
verdrehter Polarisationsrichtung übertragen. Es erfolgt hier
die Messung nicht mittels eines einzigen reflektierten Strahls,
sondern durch Vergleich eines Meß- und eines Referenzstrahls.
-
Aus
der
EP 0 717 294 B1 schließlich ist
ein faseroptischer Sensor bekannt, welcher als Magnetfeld- oder
Stromsensor oder in einer anderen Ausführungsform als Sensor für ein elektrisches
Feld vorgesehen sein kann. Wenn der Sensor als Magnetfeld- oder
Stromsensor dienen soll, enthält
er im Wege einer optischen Faser, die von einem Eingang zu einem
Ausgang in einer Richtung von optischer Strahlung durchlaufen wird,
einen Polarisierer, ein magnetooptisches Element und einen Analysierer,
in dieser Folge angeordnet. Nur wenn der Sensor zum Erfassen eines
elektrischen Feldes vorgesehen ist, ist zusätzlich zwischen dem Polarisierer
und dem optischen Modulator ein λ/4-Plättchen angeordnet.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen positionsanzeigenden Näherungssensor
zur Verwendung in Fahrzeugen zu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit
aufweist, mit geringem Aufwand und kostengünstig herstellbar und robust
ist.
-
Die
Aufgabe wird durch einen positionsanzeigenden Näherungssensor 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 positionsanzeigender Näherungssensor für Türen oder
Tore eines Fahrzeugs, welche ein magnetisches Material enthalten
oder aus einem solchen bestehen, durch Detektion des magnetischen
Materials geschaffen, mit mit einer eine optische Strahlung emittierenden
Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der
Lichtquelle emittierten und eine Information über das Vorhandensein des magnetischen
Materials enthaltenden optischen Strahlung, mit einem Polarisationsfilter
und einem Faraday-Material, in dem (aufgrund des Faraday-Effekts
der Magnetooptik) die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung durch
das magnetische Material gedreht wird, welche im Weg der von der
Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet
sind, und mit einem Spiegel, der die von dem Faraday-Material kommende
optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter hindurch
zurück
zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei eine der Drehung der
Polarisationsrichtung entsprechende Änderung der Intensität der vom
Polarisationsfilter durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor
erfaßt
wird, und wobei der Polarisationsfilter, das Faraday-Material und der
Spiegel in einem Sensorkopf zusammengefaßt angeordnet sind, der über eine
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/Monomodefaser zurück
zur Auswerteeinheit geführt
wird.
-
Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass in dem Sensorkopf zwischen dem Faraday-Material und
dem Spiegel ein λ/4-Plättchen angeordnet
ist, welches eine Drehung der Polarisationsrichtung der zum Faraday-Material
zurück
reflektierten optischen Strahlung um 90° bewirkt, wobei der Spiegel
durch eine reflektierende Endfläche
auf dem λ/4-Plättchen gebildet
ist.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen positionsanzeigenden Näherungssensors
ist zwischen der optischen Multimodefaser/Monomodefaser und dem
Polarisationsfilter eine Kollimatorlinse angeordnet.
-
Der
erfindungsgemäße Näherungssensor kann
mit Vorteil als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore 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 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 besagte 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 eines λ/4-Plättchens 11 zwischen
Faraday-Material 6 und Spiegel 7, wie in 3 dargestellt,
ist die Richtung der Polarisation des Lichtes bei doppeltem Durchgang
durch das λ/4-Plättchen 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 Drehtung 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 durch Aufbringen von geeigneten Materialien
auf die Endflache des λ/4-Plättchens 11 realisiert
sein.