DE102008020201A1

DE102008020201A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102008020201A1
Application number: DE200810020201
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Spähn; Dieter Baur
Original assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Current assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: DE102008020201B4

Abstract

Bei einer Messvorrichtung (1) zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem Objekt (2) und einem Lichtwellen emittierenden Lichtwellenleitkabel (3), mit einem die Lichtwellen erzeugenden Sender (6), dessen Lichtwellen von dem Lichtwellenleitkabel (3) aufgenommen und an das Objekt (2) zur Reflexion abgestrahlt sind, und mit einem Empfänger (7), durch den die vom Objekt (2) reflektierten und von dem Lichtwellenleitkabel (3) übertragenen Lichtwellen aufgefangen sind, soll der zur Verfügung stehende Platz zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Objekt (2) optimal ausgenutzt bzw. überbrückt werden können.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Empfänger (7) als Mehrfachphotonenpixelzähler [MPPC] ausgebildet ist, der in einem lichtdurchlässigen Gehäuse (8) eingebaut ist, und dass die von dem Lichtwellenleitkabel (3) abgegebenen Lichtwellen unmittelbar auf dem MPPC abgestrahlt und von diesem aufgefangen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Lichtwellen emittierenden Lichtwellenleitkabel nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Messvorrichtungen bestehen üblicherweise aus einem Lichtlaufzeitsensor, durch den die Lichtwellen auf das Objekt reflektiert werden. Die Messvorrichtungen weisen eine groß bemessene Bauform auf, denn zur Bündelung der von dem Objekt abgestrahlten Lichtphotonen ist eine Empfangslinse vorzusehen, um möglichst viele der vom Objekt abgestrahlten Lichtphotonen aufzufangen. Insbesondere bei lichtabsorbierenden, also dunklen und lichtabsorbierenden Oberflächen des Objektes, wird eine genügend große Anzahl von Lichtphotonen benötigt, um die Zeitmessung, die die Lichtwellen von der Abstrahlung zur Reflexion und zurück zur Linse benötigen, ermitteln zu können. Aufgrund der eingesetzten Empfangslinsen weißen solche Messgeräte eine Baugröße von 100 oder mehr ccm auf.
Diese bekannten Messvorrichtungen können zur Abstandsmessung nicht eingesetzt werden, wenn der Abstand zwischen dem Objekt und dem die Lichtwellen emittierenden Lichtwellenleitkabel derart gering bemessen ist, dass die Messvorrichtung in den vorhandenen Raum aufgrund seiner Baugröße nicht integriert werden kann. Für solche geometrischen den Bauraum einschränkenden Anwendungen haben sich so genannte Lichtleitergeräte auf dem Markt durchgesetzt, die als optische Reflextaster ausgebildet sind. Dabei werden die abgestrahlten Lichtwellen zu einem Empfänger zurückreflektiert, durch den die aufgefangene Lichtmenge ausgewertet wird. Die Laufzeit der Lichtwellen wird zur Abstandsmessung demnach nicht benötigt. Wird durch den Empfänger festgestellt, dass die aufgefangene Lichtmenge einen voreinstellbaren Grenzwert überschritten hat, wird ein Schaltsignal erzeugt, so dass mit diesem eine bestimmte voreinstellbare Funktion erzeugt werden kann, beispielsweise kann das Objekt von der Messvorrichtung wegbewegt oder eine andere Funktionsausübung kann geschaltet werden.
Zur Lichtwellenübertragung wird ein zweiadriges Lichtwellenleitkabel verwendet, durch das die vom Sender emittierten Lichtwellen zu einem räumlich begrenzten Messort transportiert und von diesem zurück zu dem Empfänger geleitet werden. Derartige mechanische Messvorrichtungen können auch in Umgebungen mit aggressiven Umgebungsbedingungen bzw. bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, da die einzelnen Adern des Lichtwellenleitkabels äußerst kompakt ausgestaltet sind und folglich von den Umgebungsbedingungen nicht zersetzt werden können.
Diese Messvorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass durch den Empfänger ausschließlich die aufgefangene Lichtmenge auswertbar ist. Die Laufzeit, die das Licht benötigt, und zwar von dem Sender durch das Lichtwellenleitkabel bis zum Objekt und von diesem durch das Lichtwellenleitkabel zurück zu dem Empfänger, kann von solchen Messvorrichtungen nicht ermittelt werden. Das gewonnene Messergebnis wird bei solchen Vorrichtungen insbesondere dadurch verfälscht, dass die reflektierte Lichtmenge auch davon abhängt, ob die Oberfläche des Objektes lichtreflektierend oder lichtabsorbierend ist. Für jede Objektoberfläche ist daher erneut eine Kalibrierung der Messvorrichtung vorzunehmen. Dabei ist besondere Aufmerksamkeit auf die Struktur und die Licht reflektierende Eigenschaft des Objektes zu richten, um ein geeignetes Messergebnis zu erzielen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, mittels der unabhängig von dem zur Verfügung stehenden Messraum oder Platzangebot eine Messung der Lichtwellenlaufzeit vorgenommen werden kann und durch die ein zuverlässiges Messsignal ermittelt wird, ohne dass dies von der Oberflächenbeschaffenheit oder der Länge des Lichtwellenleitkabels abhängig ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Verwendung eines Mehrfachphotonenpixelzählers, der auch als Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) in der Fachliteratur bezeichnet wird, ist gewährleistet, dass eine ausreichende Menge der Lichtwellen ausgewertet werden können, da dieses elektrische Bauteil äußerst lichtempfindlich ist. Daher ist es auch unbedingt erforderlich, dass der MPPC in einem lichtundurchlässigen Gehäuse untergebracht ist, um störende Lichteinflüsse von außen von diesem abzuschirmen. Lediglich die von dem Lichtwellenleitkabel zurück übertragene Lichtwellen, sollen unmittelbar im Bereich des MPPC abgestrahlt und damit von diesem zur Auswertung der Laufzeit der Lichtwellen aufgefangen werden.
Da sowohl der Sender als auch der Empfänger elektrisch mit einer Auswerteeinheit gekoppelt sind, kann durch diese die Lichtlaufzeit unabhängig von der Länge des verwendeten Lichtwellenleitkabels ermittelt werden, denn die Auswerteeinheit steuert den Empfänger impulsweise. Die Auswerteeinheit misst daher die zeitliche Verzögerung, die die Lichtwellen benötigen, um durch das Lichtwellenleitkabel zu laufen. Derartige zeitliche Verzögerungen können mit Hilfe von Software-Programmen oder sonstigen elektronischen Hilfsmitteln in der Auswerteeinheit vorprogrammiert werden, so dass bei einem Austausch des Lichtwellenleitkabels die Auswerteeinheit bereits nach einigen wenigen Sende- und Empfangsimpulsen die zeitliche Verzögerung kennt, die die Lichtwellen für den Durchlauf in dem jeweiligen Lichtwellenleitkabel benötigen.
Folglich kann aufgrund der ermittelten Messsignale von der Auswerteeinheit bestimmt werden, welche zeitliche Differenz zwischen dem von dem Lichtwellenleitkabel abgestrahlten, vom Objekt reflektierten und von dem Lichtwellenleitkabel erneut aufgenommenen Lichtwellen vorhanden ist. Diese Messgröße Δt liefert dann eine Aussage über den Abstand zwischen dem Objekt und dem freien Ende des Lichtwellenleitkabels, denn über die physikalische Formel s = c × Δt – wobei c die konstante Geschwindigkeit der Lichtwellen ist – kann demnach der Schaltabstand bestimmt werden.
Dadurch, dass der Sender und der Empfänger in einem Gehäuse eingebaut sind und dadurch, dass an dem Gehäuse für den Sender und dem Empfänger jeweils eine Steckverbindung für das Lichtwellenleitkabel vorgesehen ist, kann das Lichtwellenleitkabel ohne weiteres ausgewechselt werden, so dass die zu überbrückenden Abstände zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt durch eine variable Länge des Lichtwellenleitkabels ausgeglichen werden können. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann daher sämtliche Messaufgaben erledigen, für die bislang unterschiedliche Gerätetypen notwendig gewesen sind.
In der einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung schematisch in Draufsicht dargestellt, die nachfolgend näher erläutert wird.
Eine in der Figur abgebildete Messvorrichtung 1 besteht aus einem Lichtwellenleitkabel 3, durch das Lichtwellen von dessen freien Ende 15 auf ein Objekt 2 abgestrahlt sind. Die Zeitdauer, die die Lichtwellen zwischen dem freien Ende 15 und dem Objekt 2 und von diesem zurück benötigen, sollen durch die Messvorrichtung 1 ermittelt werden, um auf diese Weise ein analoges oder ein digitales Schaltsignal zur Verfügung zu stellen, das von einem nicht dargestellten elektrischen Schaltkreis oder dgl. weiterverarbeitet wird.
Die Messvorrichtung 1 umfasst dabei einen Sender 6, der als Laserdiode ausgebildet ist. Das Lichtwellenleitkabel 3 weist zwei Adern 4 und 5 auf. Die Ader 4 ist dabei unmittelbar zu dem Sender 6 benachbart angeordnet, so dass die von dem Sender 6 emittierten Lichtwellen von der Ader 4 des Lichtwellenleitkabels 3 aufgenommen und von diesem in Richtung des Objektes 2 abgestrahlt werden. Die Lichtwellen, die vom Objekt 2 reflektiert und damit auf das freie Ende 15 des Lichtwellenleitkabels 3 zurückgeworfen werden, werden von der Ader 5 des Lichtwellenleitkabels 3 aufgefangen und von dieser an einem Empfänger 7 abgestrahlt.
Der Empfänger 7 ist dabei als Multipixelphotonencounter, der in der Fachliteratur auch als MPPC bekannt ist, ausgebildet. Dieses elektrische Bauteil weist eine hohe innere Verstärkung auf, durch die ein Lichtleitgerät zur Verfügung gestellt wird, durch das die Lichtlautzeit messbar ist. Voraussetzung für den ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb des Empfängers 7 ist dabei, dass dieses in einem lichtundurchlässigen Gehäuse 8 untergebracht ist, um störende Lichteinflüsse von außen gegenüber dem Empfänger 7 abzuschirmen.
Für den Betrieb der Messvorrichtung 1 ist eine Auswerteeinheit 9 vorzusehen, die in dem Gehäuse 8 angeordnet ist und die elektrisch mit dem Sender 6 und dem Empfänger 7 gekoppelt ist. Die Auswerteeinheit 9 wird über eine Stromquelle 10 mit Energie versorgt, durch die auch der Sender 6 und Empfänger 7 betrieben werden.
Um nunmehr den Abstand zwischen dem Objekt 2 und der Messvorrichtung 1, die oftmals fest in einem Gestell oder dgl. eingebaut ist, überbrücken zu können, ist es erforderlich, die Länge des Lichtwellenleitkabels 3 an die vorhandenen Raum- oder Baugrößen anzupassen. Zu diesem Zweck ist in das Gehäuse 8 für jede der Adern 4 und 5 des Lichtwellenleitkabels 3 eine Steckverbindung 11 eingebaut. Die Steckverbindung 11 verlauft dabei jeweils fluchtend zu dem Sender 6 bzw. zu dem Empfänger 7, so dass die freien Enden der Adern 4 und 5 im Inneren des Gehäuses 8 unmittelbar im Bereich vor dem Sender 6 und dem Empfänger 7 angeordnet sind. Die beiden freien Enden der Adern 4 und 5 bilden dabei eine Aufnahme-Abgabe-Ebene 13, die parallel zu der von dem Sender 6 und dem Empfänger 7 gebildeten Emittier-Mess-Ebene 12 verläuft. Der Abstand zwischen der Emittier-Mess-Ebene 12 und Aufnahme-Abgabe-Ebene 13 soll dabei derart klein bemessen sein, dass möglichst keine Streuverluste der Lichtwellen in dem vorhandenen Zwischenraum entstehen.
Gegebenenfalls kann an das freie Ende 15 des Lichtwellenleitkabels 3 eine Linse 15 aufgesetzt werden, durch die die von der Ader 4 des Lichtwellenleitkabels 3 abgegebenen Lichtwellen in Richtung des Objektes 2 verstärkt ausgestrahlt oder fokussiert und durch die die vom Objekt 2 reflektierten Lichtwellen gebündelt aufgefangen und an die Ader 5 des Lichtwellenleitkabels 3 abgegeben werden.
Die Auswerteeinheit 9 steuert zum einen impulsweise den Sender 6, so dass die Auswerteeinheit 9 exakt den Zeitpunkt kennt, zu dem die Lichtwellen von dem Sender 6 abgegeben werden. Darüber hinaus wird durch die Auswerteeinheit 9 auch der Zeitpunkt erfasst, an dem die von dem Sender 6 emittierten Lichtwellen von dem Empfänger 7 aufgefangen worden sind. Unabhängig von der Anzahl der empfangenen Lichtphotonen kann daher über die Auswerteeinheit 9 zum einen die zeitliche Verzögerung gemessen werden, die die Lichtwellen für den Durchlauf in den Adern 4 und 5 des Lichtwellenleitkabels 3 benötigen. Die dann berechnete Differenzzeitdauer steht über die physikalische Formel s = c × Δt in Beziehung zu dem vorhandenen Schaltabstands zwischen dem freien Ende 15 des Lichtwellenleitkabels 3 und dem Objekt 2, so dass durch die Auswerteeinheit 9 aufgrund der ermittelten zeitlichen Differenzen ein entsprechendes Schaltsignal in analoger oder digitaler Ausführung generiert ist. Derartige Schaltsignale können durch übliche nachgeschaltete Steuerelektroniken, Mikroprozessoren oder dgl. zur Steuerung von Maschinen oder sonstigen Prozessabläufen verwendet werden.
Die Linse 14 kann auch mit anderen optischen Elementen gekoppelt bzw. von diesen ersetzt werden. Beispielsweise können statt der fokussierenden Linse 14 auch Spiegel, Prismen oder dgl. verwendet werden, um die Lichtwellen, beispielsweise in einem bestimmten Auslenkwinkel, auf das Objekt 2 auszurichten. Der Sender 6 kann nicht nur als Laserdiode, sondern auch als LED im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Lichtwellenbereich ausgebildet sein.
Die Adern 4 und 5 des Lichtwellenleitkabels 13 sind als Kunststofflichtleiter mit einem Faserdurchmesser von 1 mm oder weniger ausgestaltet. Um die zeitliche Verzögerung des Lichtwellentransportes innerhalb der Adern 4 und 5 ermitteln zu können, ist es erforderlich, dass die Länge der Ader 4 mit der Länge der Ader 5 übereinstimmt.

Claims

Messvorrichtung (1) zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem Objekt (2) und einem Lichtwellen emittierenden Lichtwellenleitkabel (3), mit einem die Lichtwellen erzeugenden Sender (6), dessen Lichtwellen von dem Lichtwellenleitkabel (3) aufgenommen und an das Objekt (2) zur Reflexion abgestrahlt sind, und mit einem Empfänger (7), durch den die vom Objekt (2) reflektierten und von dem Lichtwellenleitkabel (3) übertragenen Lichtwellen aufgefangen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (7) als Mehrfachphotonenpixelzähler [MPPC] ausgebildet ist, der in einem lichtundurchlässigen Gehäuse (8) eingebaut ist, und dass die von dem Lichtwellenleitkabel (3) abgegebenen Lichtwellen unmittelbar auf den MPPC abgestrahlt und von diesem aufgefangen sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtwellenleitkabel (3) aus zwei Adern (4, 5) besteht, die unabhängig voneinander verlaufen, und dass die Länge der beiden Adern (4, 5) gleich groß bemessen ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (6) als Laserdiode ausgebildet ist und dass durch den Sender (6) durch die voreinstellbare Lichtimpulse emittiert sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dem Objekt (2) zugewandten Ende (15) des Lichtwellenleitkabels (3) eine Linse (14) angebracht ist, durch die das auf das Objekt (2) abgestrahlte Licht verstärkt und/oder fokussiert und/oder durch die das von dem Objekt (2) reflektierte Licht gebündelt ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden freien Enden (15) der Adern (4, 5) des Lichtwellenleitkabels (3) in einer gemeinsamen Ebene (12) angeordnet sind, die parallel zu der vom Objekt (2) gebildeten Ebene ausgerichtet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellen emittierende Sender (6) und der die Lichtwellen aufnehmende Empfänger (7) in einem Gehäuse (8) untergebracht und in einer gemeinsamen Emmitier-Mess-Ebene (12) angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Lichtwellenleitkabel (3) zu dem Sender (6) identisch groß bemessen ist wie der Abstand zwischen dem Lichtwellenleitkabel (3) und dem Empfänger (7).
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (6) und der Empfänger (7) an einer elektrisch betriebenen Auswerteeinheit (9) angeschlossen sind, durch die die Laufzeit des Lichtes von dem Empfänger (7) durch das Lichtwellenleitkabel (3) bis zum Objekt (2) und von diesem durch das Lichtwellenleitkabel (3) bis zum Empfänger (7) ermittelbar ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinheit (9) ein analoges oder ein digitales Schaltsignal generiert ist, durch das der Abstand zwischen dem Objekt (2) und dem freien Ende (15) des Lichtwellenleitkabels (3) messbar ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) eine oder mehrere Steckverbindungen (11) aufweist, in die das Lichtwellenleitkabel (3), vorzugsweise die einzelnen Adern (4, 5) des Lichtwellenleitkabels (3), einsteckbar ist, und dass die Steckverbindung (11) jeweils fluchtend zu dem Sender (6) und dem Empfänger (7) angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Lichtwellenleitkabels (3) variabel auswählbar ist und dass eine mit dem Sender (6) und dem Empfänger (7) elektrisch verbundene Auswerteeinheit (9) die Länge des verwendeten Lichtwellenleitkabels (3) ermittelt und diese Größe bei der Berechnung des Abstandes zwischen dem Objekt (2) und dem freien Ende (15) des Lichtwellenleitkabels (3) berücksichtigt.