DE2431630A1 - Optoelektronischer aufnehmer - Google Patents

Optoelektronischer aufnehmer

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Description

2A31630
R. 2119 29.5.1974 Kh/Kb
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanraeldung
ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1
Optoelektronischer Aufnehmer
Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Aufnehmer zur berührungslosen Messung der Entfernung zweier Bezugspunkte mit einer Lichtquelle und einem vom Strahlengang der Lichtquelle beaufschlagten lichtempfindlichen Empfängerelement.
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— Ο«.
Es ist bereits bekannt, durch optoelektronische Aufnehmer berührungslos die Entfernung zweier Bezugspunkte zu ermitteln. Derartige Aufnehmer haben jedoch den Nachteil mangelnder Langzeitkonstans infolge von Alterungserscheinungen, Temperaturänderungen und Verschmutzungen der lichtempfindlichen elektronischen Bauelemente und der Lichtquelle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Aufnehmer der bekannten Art zu entwickeln, bei dem der genannte Nachteil nicht auftritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäff· dadurch gelöst, daß vom Strahlengang der Lichtquelle ebenfalls ein lichtempfindliches Regelelement beaufschlagbar und di'.e Intensität der Lichtquelle du:?ch das Regelelement so ι egelbar ist, daß am lichtempfindli:hen Regelelement ein insbesondere konstanter Fotostrom fließt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Empfängerelement und das Regelelement als Fotodioden ausgebildet sind und die als Regelelement ausgebildete Fotodiode in einem elektrischen Regelkreis angeordnet ist, der einen Operationsverstärker entnält, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand an Masse und dessen invertierender Eingang air Summenpunkt der an positiver Versorgungsspannung liegenden Fotodiode, eines Widerstandes und eines mit der negativen Versorgungsspannung verbundenen Einstellwiderstandes liegt, während der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Basis eines Transistors verbunden ist, dessen Kollektor über die Lichtquelle an die positive Versorgungsspannung und dessen Emitter über einen Widerstand an Masse gekoppelt ist.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß die Entfernung zweier Bezugspunkte durch optische Remission meßbar ist, indem lichtempfindliches Empfängerelement und lichtempfindliches Regelelement nebeneinander im von einer Referenzfläche, in deren Ebene sich einer der Bezugspunkte befindet, remittierten Strahlengang der Lichtquelle angeordnet sind und als Referenzfläche eine Fläche dient, die nach dem Lambert'schen-Kosinus-Gesetz remittiert.
Nach einer v/eiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Referenzfläche aus Al2O-,-Keramik und kann zum Abgleichen mit dunklen Strukturen versehen werden, insbesondere durch Laserstrahlen.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient als Lichtquelle eine Lumineszensdiode.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der als Lichtquelle eine flikroglühlampe dient, deren Licht durch einen Lichtleiter auf die Referenzfläche leitbar ist.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Entfernung zweier Bezugspunkte durch optische Transmission meßbar ist,indem in dem Strahlengang der Lichtquelle ein lichtdurchlässiger Körper beweglich angeordnet ist, der zwei getrennte Spuren aufweist und das die eine Spur verlassende Licht das lichtempfindliche Empfängerelement und das die andere Spur verlassende Licht das lichtempfindliche Regelelement beaufschlagt und die dem lichtempfindlichen Regelelement zugeordnete Spur eine konstante und die dem lichtempfindlichen Empfängerelement zugeordnete Spur eine veränderliche Transmission aufweist und die Spuren des lichtdurch-
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lässigen Körpers durch Rasterverfahren herstellbar sind.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des optoelektronischen
Aufnehmers,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Aufnehmers,
Fig. 3 eine elektronische Schaltung, Fig. 4 den Verlauf der Kennlinien des lichtempfindlichen Empfängerelementes und Regelelementes.
Der in Fitrur 1 dargestellte optoelektronische Aufnehmer wird von einem Tastkörper 1 und einer Referenzfläche 2 gebildet. In'dem Tastkörper 1 ist eine Lichtquelle 3 angeordnet, die . als Mikrog.lühlampe oder als Lumineszensdiode ausgebildet sein kann. Erschütterungsunempfindlichkeit ergibt sich durch eine Lagerung der Lichtquelle 3 innerhalb eines dämpfenden Trägerkörpers 4. Das von der Lichtquelle 3 ausgesandte Licht wird durch einen Lichtleiter 5 (Faserbündel) an die Stirnfläche 6 des Tastkörpers 1 geführt. In der Stirnfläche 6 des Tastkörpers 1 ist ebenfalls ein lichtempfindliches Empfängerelement
und ein lichtempfindliches Regelelement angeordnet. Als lichtempfindliches Empfängerelement und lichtempfindliches Regelelement dienen vorzugsweise Fotodioden.
Die Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten optoelektronischen Abnehmers ist folgende:
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2f f ? -5-
Die Messung der Entfernung zweier Bezugspunkte erfolgt durch optische Remission, indem das aus dem Lichtleiter 5 austretende Licht an der Referenzfläche 2 remittiert wird, in deren Ebene sich einer der Bezugspunkte befindet. Das von der Referenzfläche 2 reflektierte Licht erzeugt in dem lichtempfindlichen Empfängerelement und dem lichtempfindlichen Regelelement Fotoströme Iph· Der an dem lichtempfindlichen Empfängerelement 7 erzeugte Fotostrom ist ein analoges Maß für die Entfernung zwischen den beiden Bezugspunkten. Da zweckmäßigerweise mit Nullpunktu'iterdrückung gearbeitet wird, liegt der zweite Bezugspunkt insbesondere außerhalb der Stirnfläche 6 des Tastkörpers Durch das lichtempfindliche Regelelement 8 wird die Intensität der Lichtquelle 3 derart nachgeregelt, daß an dem lichtempfiid- ■' liehen Regelelement immer ein konstanter Fotostrom I ■ fließe. Hierdurch werden Schwankungen des Lichterzeugungswirkungsgrades der Lichtquelle, der Empfindlichkeit der Fotodioden, sofern diese gleichartig verlaufen, und Änderungen des Remissionsvermögens der Referenzfläche 2 kompensiert.
Die Zwischenschaltung eines Lichtleiters 5 bei Verwendung einer Mikroglühlampe als Lichtquelle 3 bietet den Vorteil, daß durch entsprechende Entfernung und Isolierung eine zu starke Wärmebelas^-ung der Fotodioden 7 und 8 vermieden werden kann.
Durch Änderung der geometrischen Anordnung der Lichtquelle 3 und der Fotodioden 7 und 8 können verschiedene Formen von Kennlinien eingestellt werden.
Es ist vorteilhaft, als Referenzfläche 2 eine Fläche zu verwenden, die nach dem Lambert'schen-Kosinus-Gesetz remittiert, z.B. AIpO,-Keramik. Der optoelektronische Aufnehmer ist dann unabhängiger von Kippungen und Neigungen der Referenzfläche. Das Abgleichen des Aufnehmers kann z.B. dadurch erfolgen, daß
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'il
der Raum an der Rückseite der Referenzfläche 2 als schwarzer Hohlraum ausgebildet wird. So können z.B. durch Laserstrahlen dunkle Strukturen oder Löcher in der Referenzfläche erzeugt werden. Bei diesem Abgleich sind die inneren konzentrischen Bereiche der Referenzfläche für kleinere Wege und die äußeren für größere Wege maßgebend.
Bei dem in Figur 2 dargestellten optoelektronischen Aufnehmer ist die Entfernung zweier Bezugspunkte durch optische Transmission meßbar, indem in dem durch eine Blende 10 begrenzten Strahigtmg der Lichtquelle 3 ein lichtdurchlässiger Körper 11 beweglich angeordnet ist, der zwei getrennte Spuren 12 und 13 aufweist, wobei das die eine Spur 12 verlassende Licht das lichtempfindliche Empfängerelement 7 und das die andere Spur 13 verlassende Licht das lichtempfindliche Regelelement 8 beaufschlagt. Die dem lichtempfindlichen Regelelement 8 zugeordnete Scur 13 ist derart ausgebildet, daß sie eine konstante Transmission aufweist, während die dem lichtempfindlichen Empfänger element 7 zugeordnete Spu:* 12 eine veränderliche Transmission (z.B. Graukeil) aufweist. Die Spuren 12 und 13 des lichtdurchlässigen Körpers 11 können durch Rasterverfahren hergestellt werden. Blenden ll\ und 15 dienen zur Begrenzung des Strahlsnganges auf die Fotodiocen 7 und 8. Das Empfängerelement 7 -ind das Regelelement 8 sind möglichst dicht nebeneinander angeordnet, wodurch sie nahezu die gleiche Temperatur und das gleiche Alterungsverhalten aufweisen. Das lichtempfindliche Regelelement 8 hat wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Aufgabe, die Intensität der Lichtquelle 3 derart nachzuregeln, daß an dem lichtempfindlichen Regelelement 8 ein konstanter Fotostrom Ip fließt. Hierdurch werden leichte Verschmutzungen und Eintrübungen, die gleichmäßig auf den beiden Transmissionsspuren 12 und 13 auftreten, sowie Alterungserscheinungen und Verschmutzungen der Lichtquelle 3 und der Fotodioden J und 8 kompensiert. Der an dem lichtempfindlichen
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Empfängerelement 7 fließende Potostrom kann über eine Verstärkerschaltung als analoges Maß für die Entfernung zweier Bezugspunkte abgenommen werden und an· einem Anzeigegerät angezeigt werden. Zum Abgleich der Kennlinien können zum Beispiel durch Laserstrahlen Strukturen in das Transmissionsraster gebrannt werden.
Eine elektrische Schaltung der in Figur 1 und 2 dargestellten optoelektronischen Aufnehmer ist in Figur 3 dargestellt. Dabei ist die als lichtempfindliches Regelelement ausgebildete. Fotodiode 8 in einem elektrischen Regelkreis angeordnet, der einen Operationsverstärker 18 enthält, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand 19 an Masse und dessen invertierender Eingang am Summenpunkt "20 der Fotodiode 8^ eines Widerstandes 21 und eines mit der negativen Versorgungsspannung verbundenen Einstellwiderstandes 22 liegt, während der Ausgang des Operationsverstärkers 18 mit der Basis eines Transistors 23 verbunden ist, dessen Kollektor über die Lichtquelle 3 an die positive Versorgungsspannung und dessen Emitter über einen Widerstand 24 an Masse gekoppelt ist. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise durch eine Batterie geliefert werden.
Die als lichtempfindliches Empfängerelement ausgebildete Fotodiode 7 wirkt für den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 26 als Stromquelle. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 26 ist über einen Widerstand 27 an Masse gekoppelt. Am Ausgang 28 des Operationsverstärkers 26 kann eine der Entfernung zwischen zwei Bezugspunkten analoge Spannung abgenommen und an einem nicht dargestellten Meßinstrument angezeigt werden. _g_
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In dem Diagramm nach Figur H ist* der Verlauf des Fotostromes Ip. in Abhängigkeit von der Entfernung e ziiischen zwei Bezugspunkten dargestellt. Unter der Annahme, daß die Lichtquelle 3 eine konstante Lichtintensität abgibt, würde man für das lichtempfindliche Empfängerelement
7 eine Kennlinie a und für das lichtempfindliche Regelelement 8 eine Kennlinie b messen. Regelt man nun die Lichtquelle 3 so, daß an der als lichtempfindliches Regelelement dienenden Fotodiode 8 der konstante Fotostrom + Ip. entsprechend der gestrichelten Linie c fließt j dann kann an der als lichtempfindliches Empfängerelement dienenden Fotodiode 7 die gestrichelt gezeichnete Kennlinie d gemessen werden. Die Linie d ergibt sich durch Division der Kennlinie a durch die Kennlinie b. Die Größe des konstanten Fotostromes + Ip. an der Fotodiode
8 ist durch die negative Versorgungsspannung und den Einstellwiderstand 22 vorwählbar.
Der optoelektronische Aufnehmer bietet den Vorteil, bei den verschiedensten Einsatzmöglichkeiten berührungslos und schnell die Entfernung zwischen zwei Bezugspunkten zu ermitteln, ohne mechanische AbnItζungserscheinungen. Der Aufnehmer ist unabhängig von stark wechselnden Magnetfeldern, z.B. anlaufenden Elektromotoren und durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung langzeitstabil. So ist dieser optoelektronische Aufnehmer z.B. auch geeignet, um die Stellung eines im Saugrohr einer Brennkraftmaschine angeordneten Luftmeßorganes, die der angesaugten Luftmenge entspricht, berührungslos anzuzeigen.
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Claims (12)

Ansprüche
1.!Optoelektronischer Aufnehmer zur berührungslosen Messung der Entfernung zweier Bezugspunkte mit einer Lichtquelle und einem vom Strahlengang der Lichtquelle beaufschlagten lichtempfindlichen Empfängerelement, dadurch gekennzeichnet, daß vom Strahlengang der Lichtquelle (3) ebenfalls ein lichtempfindliches Regelelement (8) beaufschlagbar und die Intensität der Lichtquelle (3) durch das Regelelement (8) so regelbar ist, daß an dem lichtempfindlichen Regelelement (8) ein insbesondere konstanter Potostrom fließt.
2. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfänge^element (7) und das Regelelement (8) als Fotodioden (7>i ) ausgebildet sind.
3. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Regelelement ausgebildete Fotodiode (8) in einem elektrischen Regelkreis angeordnet ist, der einen Operationsverstärker (18) enthält, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand (19) an Masse und dessen invertierender Eingang am Summenpunkt (20) der an positiver Versorgungsspannung liegenden Fotodiode (8), eines Widerstandes (21) und eines mit der negativen Versorgungsspannung; verbundenen Einstellwiderstandes (22) liegt, während der Ausgang des Operationsverstärlcers (18) mit der Basis eines Transistors (23) verbunden ist, dessen _io-
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Kollektor über die Lichtquelle (3) an die positive Versorgungsspannung und dessen Emitter über einen Widerstand (21J) an Masse gekoppelt ist.
4. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zweier Bezugspunkte durch optische Remission meßbar ist, indem lichtempfindliches Empfängerelement (7) und lichtempfindliches Regelelement (8) nebeneinander im von einer Referenzfläche (2), in deren Ebene sich einer der Bezugspunkte befindet, remittierten Strahlengang der Lichtquelle (3) angeordnet sind.
5. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzfläche (2) eine Fläche dient, die nach .dem Lambert'schen-Kosinus-Gesetz remittiert.
6. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche (2) aus ΑΙ,,Ο,-Keramik besteht.
7. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleichen die Referenzfläche (2) mit dunklen Strukturen versehen werden kann, insbesondere
- durch Laserstrahlen.
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8. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 1J, dadurch gekennzeichnet j daß als Lichtquelle (3) eine Lumineszensdiode dient.
9. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (3) eine Mikroglühlampe dient, deren Licht durch einen Lichtleiter (5) auf die Referenzfläche (2) leitbar ist.
10. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zweier Bezugspunkte durch optische Transmission meß jar ist, indem in dem Strahlengang der Lichtquelle (3) ein lichtdurchlässiger Körper ill) beweglich angeordnet ist, der zwei getrennte-Spuren (12,13) aufweist und das die eine Spur (12) verlassende Licht das lichtempfindliche Empfängerelement (7) und das die andere Spur (1"S) verlassende Licht das lichtempfindliche Regelelement (8) beaufschlagt.
11. Optoelektronischer .Aufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet j daß die dem lichtempfindlichen Regelelement (8) zugeordnete Spur (13) eine konstante und die dem lichtempfindlichen Empfängerelement (7) zugeordnete Spur (12) eine veränderliche Transmission aufweist.
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-12- ' ■ ϊ 1 \ ji
12. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuren (12,13) des lichtdurchlässigen Körpers (11) durch Rasterverfahren herstellbar sind. -., v
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