DE102008037748A1

DE102008037748A1 - Wegsensor

Info

Publication number: DE102008037748A1
Application number: DE102008037748A
Authority: DE
Inventors: Markus Koch; Hans-Jürgen Dr. Schrage; Oliver STÜBBE
Original assignee: GESAMTHOCHSCHULE PADERBOR, University of; Universitat-Gesamthochschule Paderborn; Siemens AG
Current assignee: GESAMTHOCHSCHULE PADERBOR, University of; Universitat-Gesamthochschule Paderborn; Siemens AG
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2010-04-29
Also published as: WO2010017992A1

Abstract

Ein Wegsensor umfasst einen optischen Lichtleiter (40) mit einem Kern und einer Umhüllung, die an einem ersten Ende (42) des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise lichtdurchlässig ist, so dass Umgebungslicht (30) in den Kern eindringt. An einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) ist ein Sensorelement (20) angebracht. Außerdem ist eine Hülse (10) vorgesehen, die das erste Ende des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise umschließt und entlang des ersten Endes verschiebbar ist, wobei eine Position der Hülse (10) als Funktion einer am zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) in das Sensorelement (20) emittierten Strahlung bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft faseroptische Systeme zur Messung von Positionen und Bewegungen.
Ein optischer Lichtleiter überträgt ein optisches Signal, indem das Signal im Kern des Leiters am Verlassen des Leiters durch Totalreflexion an dem Übergang zu einem äußeren Medium gehindert wird. Damit wird erreicht, dass die Übertragung wie mit einem elektrischen Kabel erfolgen kann. Dieses Prinzip ist allgemein bekannt und in vielen Lehrbüchern beschrieben. In neuerer Zeit ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt geworden, die sich optischer Lichtleiter bedienen. Beispielsweise sind faseroptische Biegesensoren in der US 5,321,257 beschrieben. Hierbei werden auf einem Teil der Faser durch Störung der Oberfläche sensitive Bereiche erzeugt, die bei Beugung der Faser deutliche Unterschiede in der Übertragungsleistung beobachtet.
In der US 6,965,709 ist ein elektro-optischer Positionssensor beschrieben, der nicht den Verlust von Strahlung benutzt, sondern vielmehr Strahlung in einen optischen Leiter einstrahlt. Diese Anordnung ist relativ komplex und verwendet eine Hilfslichtquelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Wegsensor für die Messung von Positionen in einer Dimension bereitzustellen. Zusätzlich sollen die bewegten Massen möglichst klein sein, so dass auch schnelle Wegänderungen, die beispielsweise bei Vibrationsmessungen auftreten, erfassbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wegsensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Wegsensor weist einen optischen Lichtleiter mit einem Kern und einer Umhüllung auf, die an einem ersten Ende des optischen Lichtleiters zumindest teilweise lichtdurchlässig ist, so dass Umgebungslicht in den Kern eindringt. An einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters ist ein Sensorelement angebracht. Außerdem ist eine Hülse vorgesehen, die das erste Ende des optischen Lichtleiters zumindest teilweise umschließt und entlang des ersten Endes verschiebbar ist, wobei eine Position der Hülse als Funktion einer am zweiten Ende des optischen Lichtleiters in das Sensorelement emittierten Strahlung bestimmbar ist. Der Kern des optischen Lichtleiters kann eine oder mehrere lichtleitende Fasern aufweisen.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, daß das erste Ende des optischen Lichtleiters ein völlig passives Messelement darstellt und dort keine elektrischen Signale verarbeitet werden müssen, die erst am zweiten Ende bei einer Umsetzung von optischen Signale durch das Sensorelement entstehen. Der erfindungsgemäße Wegsensor ist damit insbesondere für explosionsgefährdete Bereiche verwendbar, da er keine Störsignalquelle darstellt.
Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein dem Umgebungslicht ausgesetztes Referenzsensorelement vorgesehen, das vorteilhafterweise nicht von einer Hülse abgeschattet ist. Das Referenzsensorelement dient einer Erfassung einer Intensität des Umgebungslichts, dem das erste Ende des optischen Lichtleiters ausgesetzt ist, damit eine Variation der Intensität des Umgebungslichts bei einer Positionsmessung kompensiert werden kann. Außerdem kann mit dem Referenzsensorelement eine aufwendige Kalibrierung des Sensorelements entfallen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind zwei gleichartige optische Lichtleiter mit jeweils einer Hülse vorgesehen und die Hülsen mechanisch so gekoppelt sind, dass ihre Verschiebung gegenläufig auf die jeweils ersten Enden der optischen Lichtleiter wirkt. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Messgenauigkeit.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Wegsensors mit einem Lichtleiter,
2 eine Abwandlung des in 1 dargestellten Wegsensors mit zwei gleichartigen optischen Lichtleitern,
3 ein Diagramm zur Darstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen Länge eines freigelegten Kerns eines optischen Lichtleiters und in den Lichtleiter emittierter optischer Leistung.
Der in 1 dargestellte Wegsensor umfaßt einen optischen Lichtleiter 40 mit einem Kern und einer Umhüllung. Der optische Lichtleiter 40 weist an einem ersten Ende einen sensitiven Bereich 42 auf. Hierzu ist die Umhüllung des optischen Lichtleiters 40 entfernt oder durchlässig gemacht worden. Dies kann beispielsweise durch vollständiges oder partielles Abschleifen oder Aufrauhen erfolgen. Der sensitive Bereich 42 wird üblichem diffusem Umgebungslicht 30 ausgesetzt. Das Umgebungslicht 30 kann über eine aufgerauhte Oberfläche des Kerns kann in den Lichtleiter 40 eindringen und wird aufgrund dessen Wellenleitereigenschaft zu einem zweiten Ende des Lichtleiters 40 übertragen. Durch einen am zweiten Ende an den Lichtleiter 40 angekoppelten Intensitätsmesser 20 wird eine Intensität des über den Lichtleiter 40 übertragenen Umgebungslichts bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine das erste Ende umfassende zylindrische Hülse 10 verwendet, die entlang des ersten Endes verschiebbar ist und somit eine Bewegung in einer Richtig axial zum ersten Ende der Lichtleiters 40 ausführen kann. Dadurch wird das Umgebungslicht 30 mehr oder weniger stark abgeschattet, so dass die Intensität des am zweiten Ende gemessenen Lichts von der axialen Position der Hülse 10 abhängig ist.
Entsprechend der in 2 dargestellten Abwandlung des in 1 dargestellten Wegsensors sind zwei gleichartige Lichtleiter an ihren sensitiven ersten Enden miteinander verbunden. Die jeweiligen Hülsen sind mechanisch gegenläufig gekoppelt, so dass die Summe des in die beiden sensitiven Enden emittierten Umgebungslichts die Intensität des Umgebungslichts an einem Lichtleiter ohne Abschattungen darstellt und von einem Detektor als Referenzsignal verwendet werden kann. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich bei Verwendung einer Doppelhülse 11, welche die sensitiven Enden der optischen Lichtleiter längenmäßig komplementär umfaßt. Eine axiale Verschiebung der Doppelhülse 11 in Richtung eines in 2 dargestellten Doppelpfeils bewirkt eine differentielle Veränderung der Messsignale an den jeweils zweiten Enden der Lichtleiter. Auf diese Weise ist bei ausreichend diffusem Umgebungslicht der Quotient der beiden Messsignale zumindest in erster Näherung von der Intensität des diffusen Umgebungslichts unabhängig.
Alternativ zur der in 2 darstellten Abwandlung kann auch ein beliebiger anderer optischer Sensor verwendet werden, um die Intensität des Umgebungslichts zu ermitteln, wenn diese beispielsweise a priori nicht bekannt ist. Wenn das Umgebungslicht definiert erzeugt wird, kann hierauf selbstverständlich verzichtet werden.
Der in 3 darstellte funktionale Zusammenhang zwischen Länge eines freigelegten nicht durch eine Hülse o. ä. überdeckten Kerns eines optischen Lichtleiters und in den Lichtleiter emittierter optischer Leistung ist monoton steigend und näherungsweise linear. Eine weitere Verbesserung der Linearität kann durch eine gleichmäßigere Aufrauhung der Oberfläche des Kerns erzielt werden.
Sollen Schwingungen gemessen werden, so kann in Fällen, in denen nur die Frequenz von Bedeutung ist, ein der vorangehend beschriebenen Wegsensoren verwendet werden. Andernfalls kann eine Referenzgröße für das Umgebungslicht verwendet werden. Hierzu wird bevorzugt ein zweiter Lichtleiter verwendet, dessen Ende in der Nähe des sensitiven Endes des ersten Lichtleiter parallel zu diesem angeordnet ist, aber nicht durch eine Hülse 10 abgedeckt wird. Eine leichte variable Verschattung durch die Hülse ist tolerierbar und führt durch eine Differenzbildung zu einer geringfügigen Veränderung der Messempfindlichkeit. Wenn die sensitiven Enden nicht dieselbe Länge aufweisen, können die Hülsen so kurz ausgebildet sein, dass sie maximal beispielsweise 10% der Länge des jeweiligen sensitiven Endes nicht abdecken. Für einen Referenzlichtleiter wird dann eine Länge des sensitiven Endes ausgewählt, die dem durch die Hülse nicht abgedeckten Teil des sensitiven En des des Lichtleiters entspricht; im vorliegenden Beispiel 10% der Länge des sensitiven Endes.
Alternativ kann auch ein nicht verdeckter Bereich vorgesehen werden und der Sensor so eingesetzt werden, dass im Rahmen einer Initialisierung die Hülse in eine Position maximaler Abschattung gebracht wird und der dann gemessene Wert als Referenzwert dient. Nachfolgenden Betriebswerte werden dann durch den Referenzwert geteilt.
Das Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5321257 [0002]
- US 6965709 [0003]

Claims

Wegsensor mit – einem optischen Lichtleiter (40) mit einem Kern und einer Umhüllung, die an einem ersten Ende (42) des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise lichtdurchlässig ist, so dass Umgebungslicht (30) in den Kern eindringt, – einem an einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) angebrachten Sensorelement (20), – einer Hülse (10), die das erste Ende des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise umschließt und entlang des ersten Endes verschiebbar ist, wobei eine Position der Hülse (10) als Funktion einer am zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) in das Sensorelement (20) emittierten Strahlung bestimmbar ist.
Wegsensor nach Anspruch 1, bei dem ein dem Umgebungslicht ausgesetztes Referenzsensorelement vorgesehen ist.
Wegsensor nach Anspruch 1, bei dem zwei gleichartige optische Lichtleiter (40) mit jeweils einer Hülse vorgesehen sind, und bei dem die Hülsen mechanisch so gekoppelt sind, dass ihre Verschiebung gegenläufig auf die jeweils ersten Enden der optischen Lichtleiter (40) wirkt.