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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch die
DE 34 19 320 A1 wird ein optoelektrisches Entfernungsmessgerät mit einer optischen Messsonde offenbart. Das einfallende und von einem Objekt reflektierte Licht wird dabei von einer Linse aufgefangen und an ein Lichtwellenleitkabel weitergegeben. In dem Lichtwellenleitkabel ist ein Dämpfungselement integriert, das über einen Stellmotor derart bewegbar ist, dass die nach dem Dämpfungselement vorhandenen Lichtwellen eine bestimmte, möglichst gleichmäßige Helligkeit aufweisen. Diese derart gebündelten und gedämpften Lichtwellen werden nachfolgend an einen Empfänger, der als Photodiode ausgebildet ist, weitergeleitet. Der Empfänger übermittelt die Lichtwellen an eine Auswerteeinheit, durch die dann Rückschlüsse auf den Abstand zwischen der Linse und dem Objekt gezogen werden können.
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Als nachteilig bei diesem Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass ein erheblicher konstruktiver Aufwand zu betreiben ist, um das Entfernungsmessgerät betreiben zu können, denn nach jedem Messvorgang ist eine Kalibrierung der einfallenden Lichtwellen über das Dämpfungselement notwendig. Wenn nämlich die Lichtwellen in einem Helligkeitsbereich liegen, der zu dunkel oder zu hell ist, kann die Photodiode diese Lichtwellen nicht ordnungsgemäß verarbeiten, so dass die gesamte Abstandsmessvorrichtung nicht funktioniert.
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Darüber hinaus sind die verwendeten Bauteile in ihrer Herstellung teuer und während des Betriebes äußerst empfindlich.
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Aus der
US 7,301,608 B1 ist eine Vorrichtung bekannt geworden, mit der mittels Lichtwellen Entfernungen zu einem Objekt ermittelt werden können. Die Vorrichtung umfasst einen Lichtwellen emittierenden Sender, um Laserpulse auf ein Objekt auszustrahlen. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird von einem optischen Empfänger aufgenommen, der als Geiger-mode APD array ausgebildet ist. Für ein solches Array wird in der Fachliteratur auch der Begriff ”multi pixel photon counter” (MPPC) verwendet (siehe beispielsweise Yamamoto, K. et al.: ”Development of Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)”. Nuclear Science Symposium Conference Record. 2006, IEEE, Vol. 2, 29.10.–01.11.2006, S. 1094–1097).
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Nachteiligerweise kann aus dem vorgenannten Stand der Technik nicht entnommen werden, wie die einzelnen notwendigen Bauteile miteinander verbunden sind. Insbesondere ist diesem Stand der Technik nicht beschrieben, dass die Lichtwellenleitkabel einsteckbar in einem Gehäuse sein sollen und fluchtend zu dem jeweiligen Sender bzw. Empfänger verlaufen.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Verwendung eines MPPC, der auch als Multi-Pixel Photon Counter 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.
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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.
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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.
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Dadurch, dass der Sender und der Empfänger in einem Gehäuse eingebaut sind und dadurch, dass an dem Gehäuse für den Sender und den 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.
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In der einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung schematisch in Draufsicht dargestellt, die nachfolgend näher erläutert wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 verläuft 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
