DE2431630C2

DE2431630C2 - Optoelektronischer Aufnehmer

Info

Publication number: DE2431630C2
Application number: DE2431630A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 7032 Sindelfingen Handtmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1974-07-02
Filing date: 1974-07-02
Publication date: 1985-06-27
Also published as: JPS6030883B2; JPS5126002A; US4040740A; DE2431630A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Aufnehmer zur berührungslosen Messung der Entfernung zweier Bezugspunkte, von denen der erste Bezugspunkt in einer Fläche des Aufnehmers, in der nebeneinander eine Lichtquelle und zwei vom Strahlengang der Lichtquelle beaufschlagte lichtempfindliche Empfängerelemente angeordnet sind, und der zweite Bezugspunkt in einer Referenzfläche liegt.

Es ist bereits bekannt, durch optoelektronische Aufnehmer berührungslos die Entfernung zweier Bezugspunkte zu ermitteln (DE-OS 21 40 126). Derartige Aufnehmer haben jedoch den Nachteil mangelnder Langzeitkonstanz infolge von Alterungserscheinungen, Temperaturänderungen und Verschmutzungen der lichtempfindlichen elektronischen Bauelemente und der Lichtquelle, weshalb bei einem bekannten Aufnehmer (»Elektronik«, 1972, Heft 6, Seiten 191 bis 194) eine Regelung der Lichtquelle zur Kompensation von Hellig-Jceitsänderungen vorgesehen ist. Außerdem sind die bekannten Aufnehmer empfindlich gegen Kippungen und Neigungen der Referenzfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Aufnehmer der bekannten Art zu entwickeln, bei dem der genannte Nachteil nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Referenzfläche als Streustrahler ausgebildet ist und daß eines der lichtempfindlichen Empfängerelemente als Regelelement ausgebildet ist, durch das die intensität der Lichtquelle so regelbar ist, daß an dem lichtempfindlichen Regelelement ein konstanter Fotostrom fließt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine als Regelelement ausgebildete Fotodiode in einem elektrischen Regelkreis angeordnet ist, der einen Operationsverstärker enthält, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand an Masse und dessen invertierender Eingang am Summenpunkt der an positiver Versorgungsspannung liegenden Fotodiode, eines Widerstandes und eines mit der negativen Versorgungsspannung verbundenen Einstellwiderstandes liegt, während der Ausgang des Operationsverstärkers liiit 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.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß die Referenzfläche als Lambert-Strahler ausgebildet ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Referenzfläche aus AbO3-Keramik und kann zum Abgleichen mit dunklen Strukturen versehen werden, insbesondere durch Laserstrahlen.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der als Lichtquelle eine Mikroglühlampe dient, deren Licht durch einen Lichtleiter auf die Referenzfläche leitbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Aufnehmers,
F i g. 2 eine elektronische Schaltung F i g. 3 den Verlauf der Kennlinien des lichtempfindlichen Empfängerelementes und Regelelementes.

Der .n Fig. 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 Mikroglühlampe oder als Lumineszenzdiode 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 Stirnfläehe 6 des Tastkörpers 1 geführt. In der Stirnfläche 6 des Tastkörpers 1 ist ebenfalls ein lichtempfindliches Empfängerelement 7 und ein lichtempfindliches Regelelement 8 angeordnet. Als lichtempfindliches Empfängerelement und lichtempfindliches Regelelement dienen vorzugsweise Fotodioden.

Die Wirkungsweise des in F i g. 1 dargestellten optoelektronischen Aufnehmers ist folgende: 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 remittierte Licht erzeugt in dem lichtempfindlichen Empfängerelement und dem lichtempfindliche >. Regelelement Fotoströme Iph. Der an dem lichtempfindlichen Empfängerelement 7 erzeugte Fotostrom ist em analoges Maß für die Entfernung zwischen den beiden Bezugspunkt! n. Da zweckmüSigerweise mit Nullpunktunterdrückung gearbeitet wird, liegt der zweite Bezugspunkt insbesondere außerhalb der Stirnfläche 6 des Tastkörpers 1. Durch das lichtempfindliche Regelelement 8 wird die Intensität der Lichtquelle 3 derart nachgeregelt, daß an dem lichtempfindlichen Regelelement immer ein konstanter Fotostrom Iph fließt Hierdurch werden Schwankungen des Lichterzeugungswirkungsgrades der Lichtquelle, der Empfindlichkeit der Fotodioden, sofern diese gleichartig verlaufen, und Änderungen des kemissionsvermögens 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 Wärmebelastung 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-G^- setz remittiert, z. B. AI2O3- Keramik. Der optoelektronische Aufnehmer ist dann unabhängiger von Kippungen und Neigungen der Referenzfläche. Das Abgleichen des Aufnehmers kann z. B. dadurch erfolgen, daß 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.

Eine elektrische Schaltung des in F i g. 1 dargestellten optoelektronischen Aufnehmers ist in F i g. 2 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 invertierendei 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 Verscrgungsspannung und dessen Emitter über einen Widerstand 24 an Masse gekoppelt ist. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise durch eine Batterie geliefert werden.

Die als lichtempfindliches Empfängerelenent 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.

In dem Diagramm nach Fig.3 ist der Verlauf des Fotostromes In in Abhängigkeit von der Entfernung e zwischen 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 + //>/, entsprechend der gestrichelten Linie c fließt, dann kann an der als lichtempfindliches Empfängerelement dienenden Fotodiode 7 die gestrichelt gezeichnete Kennlinie d gemessen werden. Die Kennlinie d ergibt sich durch Division der Kennlinie a durch die Kennlinie b. Die Größe des konstanten Fotostromes + Iph 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 Abnützungserscheinungen. Der Aufnehmer ist unabhängig von stark wechselnden Magnetfeldern, z. B. anlaufenden Elektromotoren und durch die erfinduagsgemäße Ausgestaltung langzeitstabii. So ist dieser optoelektronische Aufnehmer z. B. auch geeignet, die Stellung eines im Saugrohr einer Brennkraftmaschine abgeordneten Luftmeßorganes, die der angesaugten Luftmenge entspricht, berührungslos anzuzeigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optoelektronischer Aufnehmer zur berührungslosen Messung der Entfernung zweier Bezugspunkte, von denen der erste Bezugspunkt in der Fläche (6) des Aufnehmers (1), in der nebeneinander eine Lichtquelle (3) und zwei vom Strahlengang der Lichtquelle beaufschlagte lichtempfindliche Empfängerelemente (7,8) angeordnet sind, und der zweite Bezugspunkt in der Referenzfläche (2) liegt, d a durch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche (2) als Streustrahler ausgebildet ist und daß eines der lichtempfindlichen Empfängerelemente als Regelelement (8) ausgebildet ist, durch das die Intensität der Lichtquelle (3) so regelbar ist, daß an dem lichtempfindlichen Regelelement (8) sin konstanter Fotostrom fließt

2. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine 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 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.

3. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche (2) als Lambert-Strahler ausgebildet ist.

4. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfläche (2) aus AI2O3-Keramik besteht.

5. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleichen die Referenzfläche (2) mit dunklen Strukturen versehen werden kann, insbesondere durch Laserstrahlen.

6. Optoelektronischer Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (3) eine Mikroglühlampe dient, deren Licht durch einen Lichtleiter (5) auf die Referenzfläche (2) leitbar ist.