DE19713969C2

DE19713969C2 - Optoelectronic path length sensor

Info

Publication number: DE19713969C2
Application number: DE1997113969
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Kitzenmaier
Original assignee: MEDECONTROL ELECTRONICS GmbH
Current assignee: KITZENMAIER, DIETER, 75173 PFORZHEIM, DE
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-04-05
Also published as: DE19713969A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wegelängensensor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a path length sensor according to the features the preamble of claim 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen kostengünstigen optoelektronischen Wegsensor mit relativ großem Meßbereich und sehr hoher Ortsauflösung. Die Messung erfolgt nahezu reibungslos und ohne nennenswerte Trägheit mechanischer Sensorkomponenten. Dieser Weglängensensor ist besonders für solche Anwendungen geeignet, bei denen ein Meßbereich von bis 2 ... 5 cm, eine Auslösung von ca. 10 µm, Reibungsfreiheit, Trägheitsfreiheit, und kleine Sensorabmaße gefordert sind.The present invention relates in particular to an inexpensive optoelectronic displacement sensor relatively large measuring range and very high spatial resolution. The measurement is almost done smoothly and without significant inertia of mechanical sensor components. This Path length sensor is particularly suitable for those applications where a measuring range of up to 2 ... 5 cm, a release of approx. 10 µm, no friction, no inertia, and small sensor dimensions are required.

Bekanntlich basieren reibungslos messende Weglängensensoren auf dem kapazitiv oder induktiv messenden Prinzip, auf dem Laser-Doppler-Verfahren oder auf dem Triangulationsprinzip. Optisch messende Sensoren mit einem Gitter auf einem Film in Verbindung mit einer Lichtschrankenmessung sind in der Fertigung kostspielig und weisen einen nicht unbedeutenden Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, der die Genauigkeit beeinträchtigt. Genaue Sensoren dieser Art sind sehr kostspielig.As is well known, smoothly measuring path length sensors are based on the capacitive or inductive measuring principle, on the laser Doppler method or on the Triangulation principle. Optical measuring sensors with a grating on a film in Connection with a light barrier measurement are expensive and wise to manufacture a not insignificant coefficient of thermal expansion, which the accuracy impaired. Accurate sensors of this type are very expensive.

Alle diese Verfahren sind entweder aufwendig und damit teuer, groß oder sie sind nur für einen kleinen Meßbereich brauchbar. So sind z. B. Sensoren nach dem Triangulationsprinzip groß und teuer; induktive Sensoren sind entweder zu groß und teuer oder weisen einen zu kleinen Meßbereich auf; für kapazitive Sensoren gilt das gleiche.All of these processes are either complex and therefore expensive, large or they are only for a small measuring range is usable. So z. B. sensors based on the triangulation principle big and expensive; inductive sensors are either too big and expensive or assign one small measuring range; the same applies to capacitive sensors.

Ein Wegelängensensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE 27 03 563 A1 bekannt. Dieser bekannte Wegelängensensor verwendet jedoch eine feststehende linienförmige Lichtquelle.A path length sensor according to the preamble of claim 1 known from DE 27 03 563 A1. This well-known path length sensor however uses a fixed linear light source.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Vermeidung der vorgenannten Nachteile und die Schaffung einer Vorrichtung, die klein in den Abmaßen ist und in einem relativ großen Meßbereich über eine sehr gute Auflösung verfügt, die keine nennenswerte Reibung und Verstellkräfte aufweist und die sehr kostengünstig hergestellt werden kann.The object of the invention is therefore to avoid the aforementioned disadvantages and Creation of a device that is small in size and relatively large Measuring range has a very good resolution that has no significant friction and Has adjusting forces and which can be produced very inexpensively.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, die klein in den Abmaßen ist und über einen Meßbereich von 25 mm mit einer Auflösung von mindestens 20 µm verfügt.A particular object of the invention is to provide a device that is small in size Dimensions and over a measuring range of 25 mm with a resolution of at least 20 µm.

Diese und weitere der folgenden Beschreibung deutlich entnehmbare Aufgaben werden mit der erfindungsgemäßen Wegmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.These and other tasks that can be clearly gathered from the following description are included the displacement measuring device according to the invention solved according to claim 1.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind deutlicher der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Weglängensensors, unter Hinweis auf beiliegende Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:Other features and advantages of the invention will be more apparent from the following description an embodiment of the path length sensor, with reference to the accompanying drawings refer to. Show:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Weglängensensors, im wesentlichen bestehend aus einem CCD-Liniensensor 11, einer Abschattungszunge 6 mit Führung 5 und einer mit der Abschattungszunge mitgeführten Lichtquelle 3; Fig. 1 shows a first embodiment of the present invention Weglängensensors, essentially consisting of a CCD line sensor 11, a Abschattungszunge 6 with guide 5 and an entrained with the Abschattungszunge light source 3;

Fig. 2 eine Darstellung des Weglängensensors aus Fig. 1 von oben; FIG. 2 shows the path length sensor from FIG. 1 from above;

Fig. 3 eine Lichtintensitätsverteilung unter der Abschattungszunge gemäß Fig. 1; FIG. 3 shows a light intensity distribution under the shading tongue according to FIG. 1;

Fig. 4 Lichtstrahlengänge ausgehend von der Lichtquelle 3 bei zwei Positionen der Abschattungszunge, wobei die Lichtquelle 3 fest angeordnet ist; FIG. 4 shows light beam paths from the light source 3 at two positions of the Abschattungszunge, wherein the light source is fixedly 3;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Auswerteschaltung der Ortsposition der Abschattungszunge gemäß Fig. 1, und Fig. 5 is a block diagram of the electronic evaluation circuit of the spatial position of the Abschattungszunge shown in FIG. 1, and

Fig. 6 eine vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform der Fig. 1, in der die Lichtquelle 3 fest am Sensorgehäuse 1 montiert ist, wobei der Strahlengang über einen Spiegel auf der Abschattungszunge mitgeführt wird. Fig. 6 shows an advantageous development of the embodiment of Fig. 1, in which the light source 3 is fixedly mounted on the sensor housing 1 , the beam path being carried along by a mirror on the shading tongue.

Die vorliegende Erfindung besteht gemäß Fig. 1 darin, daß ein handelsüblicher CCD- Liniensensor 11 mit einer lichtempfindlichen Strecke 10 durch eine longitudinal bewegliche Abdeckzunge 6 variabel abgeschattet wird, über der eine Lichtquelle 3 angeordnet ist. Die Lichtquelle 3 ist derart angeordnet, daß sie zusammen mit der Abdeckzunge 6 bewegt werden kann. Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Auswerteschaltung des CCD-Sensorsignals zur Detektion der Abschattungszungenspitze. Das Ausgangssignal des CCD-Liniensensors 11, das gemäß der Schaltung der Fig. 5 erzeugt wird, ist proportional zur abgeschatteten Strecke des lichtempfindlichen Sensorteils 10.The present invention consists in accordance with Fig. 1 in that a commercially available CCD line sensor 11 is shaded with a light-sensitive section 10 by a longitudinally movable cover element 6 variably disposed above the light source 3. The light source 3 is arranged such that it can be moved together with the cover tongue 6 . Fig. 5 shows an advantageous evaluation circuit of the CCD sensor signal for detecting the Abschattungszungenspitze. The output signal of the CCD line sensor 11 , which is generated in accordance with the circuit in FIG. 5, is proportional to the shaded path of the photosensitive sensor part 10 .

Insbesondere wird durch das Anbringen der Lichtquelle 3 auf der Abschattungszunge 6 gewährleistet, daß immer der gleiche Einstrahlwinkel gemäß Fig. 5 vorliegt. Dadurch kommt es zu keinem Tangensfehler durch unterschiedliche Einstrahlwinkel, so wie es in Fig. 4 dargestellt ist.In particular, the attachment of the light source 3 on the shading tongue 6 ensures that the same angle of incidence according to FIG. 5 is always present. As a result, there is no tangent error due to different angles of incidence, as shown in FIG. 4.

Fig. 4 zeigt den Tangensfehler der Abschattung, wie er bei fester Anordnung der Lichtquelle 3 entsteht, wobei die Lichtquelle nicht, wie vorstehend beschrieben, zusammen mit der Abschattungszunge 6 beweglich ist. FIG. 4 shows the tangent error of the shading, as it arises when the light source 3 is arranged in a fixed manner, the light source not being movable together with the shading tongue 6 as described above.

Im Falle, daß sich die Abschattungszungenspitze an Punkt x1 befindet, ist zu ersehen, daß die beleuchtete Strecke B1 vor der Abschattungszunge 6 doch deutlich unter der Abschattungszunge liegt. Dahingegen wenn sich die Abschattungszunge 6 an Punkt x2 befindet, bewirkt der Strahlengang der Lichtquelle 3, daß die beleuchtete Strecke vor der Abschattungszunge deutlich vor der Abschattungszunge liegt. Im ersten Fall wird ein Ort weiter auf der rechten Seite der Abschattungszunge detektiert und im zweiten Fall wird ein Ort weiter auf der linken Seite der Abschattungszunge detektiert. Ein solcher Fehler kann leicht zu einer Fehlmessung bis zu einem Millimeter führen.In the event that the shading tongue tip is located at point x1, it can be seen that the illuminated path B1 in front of the shading tongue 6 is nevertheless clearly below the shading tongue. In contrast, when the shading tongue 6 is located at point x2, the beam path of the light source 3 has the effect that the illuminated path in front of the shading tongue lies clearly in front of the shading tongue. In the first case, a location further on the right side of the shading tongue is detected and in the second case a location further on the left side of the shading tongue is detected. Such an error can easily lead to an incorrect measurement of up to one millimeter.

Diese Nachteile werden durch die Anordnung gemäß Fig. 1 beseitigt. Der erfindungsgemäße Aufbau des Weglängensensors 1 besteht aus einem CCD-Liniensensor 11 mit einer lichtempfindlichen Strecke 10, der durch eine Abschattungszunge 6 variabel über eine Wegverschiebung x (8) abgeschattet wird. Diese Abschattungszunge 6 wird in einer Führung 5 geführt. Auf der Abschattungszunge 6 ist eine Vorrichtung 4 montiert, an der eine Lichtquelle 3 angebracht ist, deren flexible elektrische Anschlußleitung 2 mit dem Gehäuse 1 oder einer Leiterplatte 9 verbunden ist. Somit wird die Lichtquelle mit der Abschattungszunge mitgeführt. Die CCD-Sensorsignale werden durch eine Elektronik 7 ausgewertet.These disadvantages are eliminated by the arrangement according to FIG. 1. The structure of the Weglängensensors 1 according to the invention consists of a CCD line sensor 11 having a light-sensitive section 10, which is shaded by a Abschattungszunge 6 variable over a path displacement x (8). This shading tongue 6 is guided in a guide 5 . A device 4 is mounted on the shading tongue 6 , on which a light source 3 is attached, the flexible electrical connecting line 2 of which is connected to the housing 1 or a printed circuit board 9 . The light source is thus carried along with the shading tongue. The CCD sensor signals are evaluated by electronics 7 .

In Fig. 3 ist die Intensitätsverteilung unter der Abschattungszunge gezeigt.The intensity distribution under the shading tongue is shown in FIG. 3.

In Fig. 5 ist die CCD-Signalauswertung zur Weglängenmessung dargestellt, die aus nur wenigen handelsüblichen Bauelementen besteht. Ein Takt (clock) erzeugt Signalflanken, mit denen ein Zähler im PLD-Schaltkreis und zugleich im CCD-Sensor hochgezählt wird. Nach jedem Zähler-Inkrement wird vom CCD-Sensor eine Spannung, die der Lichtintensität an der entsprechenden Stelle des CCD-Sensors entspricht, ausgegeben und durch einen Komparator analysiert. Übersteigt diese Spannung einen eingestellten Schwellenwert, so wird der Zählerstand des PLD-Schaltkreises festgehalten und digital ausgegeben. Zugleich wird dieser digitale Wert von einem Digital-Analog-Umsetzer in einen zum Zählerstand bzw. zur Länge proportionalen Wert umgesetzt. In FIG. 5, the CCD-signal evaluation is shown for path length, which consists of only a few commercially available components. A clock (clock) generates signal edges with which a counter is counted up in the PLD circuit and at the same time in the CCD sensor. After each counter increment, the CCD sensor outputs a voltage which corresponds to the light intensity at the corresponding point on the CCD sensor and is analyzed by a comparator. If this voltage exceeds a set threshold value, the count of the PLD circuit is recorded and output digitally. At the same time, this digital value is converted by a digital-to-analog converter into a value proportional to the meter reading or length.

Besonders vorteilhaft an dieser Vorrichtung sind die kleinen Abmaße des Sensors und die sehr geringen Verstellkräfte der Abschattungszunge.The small dimensions of the sensor and the are particularly advantageous in this device very low adjustment forces of the shading tongue.

Die Erfindung kann in vielerlei Hinsicht abgeändert werden, ohne dadurch ihren Rahmen zu überschreiten. So kann beispielsweise die Lichtquelle auch von einer diffusen, flächigen, festmontierten Art sein. Dabei können mögliche, geometriebedingte Linearitätsabweichungen der Kennlinie elektronisch kompensiert werden.The invention can be modified in many ways without thereby departing from its scope exceed. For example, the light source can also be of a diffuse, flat, fixed type. Possible, geometry-related linearity deviations the characteristic curve can be compensated electronically.

In Anlehnung an den oben beschriebenen Grundgedanken der Ausführungsform des Weglängensensors kann nach einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung die Lichtquelle gemäß Fig. 6 auch fest am Sensorgehäuse 1 montiert sein, wobei der Strahlengang über einen Spiegel auf der Abschattungszunge mitgeführt werden kann. Die geringe Steifigkeit durch das flexible Leitungsband 2 entfällt bei einer solchen Anordnung. Oftmals ist eine solche Anordnung auch noch leichter montierbar.Based on the above-described basic idea of the embodiment of the path length sensor, according to a particularly advantageous aspect of the invention, the light source according to FIG. 6 can also be fixedly mounted on the sensor housing 1 , the beam path being able to be carried along via a mirror on the shading tongue. The low rigidity due to the flexible conduit band 2 is eliminated in such an arrangement. Such an arrangement is often even easier to assemble.

Claims

1. path length sensor for the longitudinal path length measurement, comprising at least one CCD sensor ( 11 ), a shading tongue ( 6 ) which can be displaced with respect to the CCD sensor ( 11 ) and a light source ( 3 ),
a beam of the light source ( 3 ) shines into the CCD sensor ( 11 ) and, depending on the displacement x, illuminates the CCD sensor ( 11 ) with a sharp light / dark transition at the front edge of the shading tongue ( 6 ),
electronics ( 7 ) for evaluating this signal for path length measurement are connected to the CCD sensor ( 11 ),
characterized in that the illumination takes place only on the front edge of the shading tongue ( 6 ) by carrying a beam of rays incident essentially perpendicularly to the moving shading tongue ( 6 ) in the edge region.

2. Path length sensor according to claim 1, characterized in that the beam is thrown from a on a sensor housing ( 1 ) mounted light source ( 3 ) via a mounted on the shading tongue ( 6 ) mirror on the CCD sensor ( 11 ).

3. Path length sensor according to claim 1, characterized in that the light source ( 3 ) via a device ( 4 ) is firmly connected to the shading tongue ( 6 ).

4. Path length sensor according to claim 2, characterized in that the light source ( 3 ) with the sensor housing ( 1 ) is firmly connected diffuse light source.

5. Path length sensor according to one or more of claims 1-3, characterized in that the light source ( 3 ) is a laser light source.

6. Path length sensor according to one or more of the claims 1-5, characterized in that it is a Mehrdi dimensional path length measurement.

7. Path length sensor according to one or more of claims 1-6, characterized in that the shading tongue ( 6 ) is slidably arranged in a guide ( 5 ).