DE3403887A1 - Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Sensor sensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einem Gehause, das zwei Abschnitte und einen dazwischenliegenden Zwischenraum aufweist, wobei an den einen Abschnitt ein langgestreckter Lichtleiter flexibel angelenkt ist, dessen freies Ende sich bei Auslenkung des Lichtleiters an einem am gegenüber liegenden Abschnitt angeordneten Aufnahmeelement vorbeibewegt.The invention relates to a sensor with a housing that has two sections and a space therebetween, wherein the a section of an elongated light guide is flexibly hinged, the free When the light guide is deflected, it ends at an opposite section arranged receiving element moved past.
Ein derartiger Sensor ist bekannt, um Beschleunigungen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, zu erfassen. Der Lichtleiter in Gestalt eines kurzen Stückes Lichtleitfaserkabel ist bei dem bekannten Sensor einseitig eingespannt, so daß das freie Ende des Lichtleitfaserkabels elastisch ausgelenkt werden kann, beispielsweise infolge der eigenen Masse, wenn der Sensor einer Beschleunigung oder Verzögerung ausgesetzt wird.Such a sensor is known to accelerate, in particular of motor vehicles. The light guide in the form of a short piece Optical fiber cable is clamped on one side in the known sensor, so that the free end of the optical fiber cable can be elastically deflected, for example due to its own mass when the sensor accelerates or decelerates is exposed.
Bei dem bekannten Sensor ist ein photoempfindliches Element in einem definierten Abstand vom freien Ende des Lichtleitfaserkabels angeordnet, bezogen auf dessen Ruhestellung. Bei einer definierten Beschleunigung bzw. Verzögerung wird das freie Ende des Lichtleitfaserkabels um diesen Abstand ausgelenkt, so daß Licht auf das im Abstand angeordnete photoempfindliche Element fällt.In the known sensor, a photosensitive element is in one defined distance from the free end of the fiber optic cable arranged, based on its rest position. With a defined acceleration or deceleration the free end of the fiber optic cable deflected by this distance, so that light falls on the spaced photosensitive member.
Der bekannte Sensor gestattet daher lediglich, das Uberschreiten einer vorgegebenen Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsschwelle zu erkennen.The known sensor therefore only allows a to recognize predetermined acceleration or deceleration threshold.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine kontinuierliche Erfassung des Meßwertes möglich ist, so daß der Sensor fiir die unterschiedlichsten Meßaufgaben einsetzbar wird, also nicht nur für Beschleunigungs- und Verzögerungsmessungen, sondern auch für Durchflußmessungen, Kraftmessungen und vieles mehr.In contrast, the invention is based on the object of a sensor of the type mentioned to the effect that a continuous Acquisition of the measured value is possible, so that the sensor for the most diverse Measuring tasks can be used, i.e. not only for acceleration and deceleration measurements, but also for flow measurements, force measurements and much more.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Aufnahmeelement ein lumineszierender Körper ist, dessen eine Achse sich wenigstens näherungsweise parallel zur Bewegungsbahn des freien Endes des Lichtleiters in dessen unmittelbarer Nähe erstreckt und der mit wenigstens einem, an mindestens einer Begrenzungsfläche des Körpers angebrachten photoempfindlichen Element versehen ist.This object is achieved according to the invention in that the receiving element is a luminescent body, one axis of which is at least approximately parallel to the trajectory of the free end of the light guide in whose immediate vicinity extends and that with at least one, at least provided photosensitive element attached to a boundary surface of the body is.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Achse des Körpers parallel zu einer Tangente an die Bewegungsbahn des freien Endes des Lichtleiters.In a preferred embodiment of the invention, the axis of the Body parallel to a tangent to the trajectory of the free end of the light guide.
Diese Maßname hat den Vorteil, daß der Körper aufgrund seiner gradlinigen Ausbildung einfach in der Herstellung und Montage ist, daß optische Fehler aufgrund gekrümmter Körper nicht auftreten können und daß schließlich auch Ablagerungen an der glatten und geraden Oberfläche minimiert werden.This measure has the advantage that the body due to its straight lines Training easy to manufacture and assemble is due to optical defects curved bodies can not occur and that eventually deposits the smooth and straight surface can be minimized.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind an mindestens zwei gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Körpers photoempfindliche Elemente angeordnet, deren Ausgangssignale in einer Auswerteschaltung miteinander verkniipft werden.In a further embodiment of the invention are at least two opposing boundary surfaces of the body photosensitive elements arranged, whose output signals are linked to one another in an evaluation circuit will.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß Alterungsprozesse, Verschmutzungen u.dgl. durch eine geeignete Kompensationsschaltung eliminiert werden können.This measure has the advantage that aging processes and soiling and the like can be eliminated by a suitable compensation circuit.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Auswerteschaltung eine Dividierstufe ist.An embodiment is particularly preferred in which the evaluation circuit is a dividing stage.
Diese Ausführungsform der Erfindung macht sich von Vorteil die Tatsache zunutze, daß die Annäherung des freien Endes des Lichtleiters an die eine Begrenzungsfläche einer Entfernung von der anderen Begrenzungsfläche entspricht, wobei der Absolutbetrag des jeweils übertragenen und in den photoempfindlichen Elementen empfangenen Lichtes, der Alterungs- und Verschmutzungsprozesse unterworfen ist, durch Quotientenbildung in besonders einfacher Weise eliminiert werden kann.This embodiment of the invention takes advantage of the fact take advantage of the approach of the free end of the light guide to the one boundary surface corresponds to a distance from the other boundary surface, the Absolute amount the light transmitted and received in the photosensitive elements, which is subject to aging and pollution processes through the formation of quotients can be eliminated in a particularly simple manner.
Man erhält demzufolge eine besonders langzeitstabile Anordnung, die auch unter erschwerten Umgebungsbedingungen arbeiten kann, beispielsweise dann, wenn Durchflußmessungen eines strömende Mediums durchgeführt werden sollen, bei denen das Medium nicht ganz frei von Schmutzteilchen ist.As a result, a particularly long-term stable arrangement is obtained, which can also work under difficult environmental conditions, for example, if flow measurements of a flowing medium are to be carried out, at where the medium is not completely free of dirt particles.
Die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Sensors, die Auslenkung des freien Endes des Lichtleiters kontinuierlich erfassen zu können, hat den wesentlichen Vorteil, den Anwendungsbereich des Sensors auf eine Vielzahl von Meßaufgaben zu erweitern. So kann beispielsweise wie beim bekannten Sensor die Auslenkung des Lichtleiters aufgrund einer Verzögerung oder Beschleunigung der Lichtleitermasse kontinuierlich gemessen werden, darüber hinaus kann aber auch das freie Ende des Lichtleiters einem Strom eines Mediums ausgesetzt werden, so daß kontinuierliche Durchflußmessungen möglich sind; schließlich kann auch das freie Ende unmittelbar einer Kraft, beispielsweise einer Wägeeinrichtung ausgesetzt werden, so daß kontinuierliche Gewichtsmessungen möglich sind.The property of the sensor according to the invention, the deflection of the The essential thing is to be able to continuously capture the free end of the light guide Advantage, the area of application of the sensor to a variety of measuring tasks expand. For example, as with the known sensor, the deflection of the light guide continuous due to a deceleration or acceleration of the fiber optic mass can also be measured, but the free end of the light guide can also be used Flow of a medium can be exposed, so that continuous flow measurements possible are; finally, the free end can also be directly a force, for example a weighing device, so that continuous weight measurements possible are.
Es versteht sich dabei, daß das freie Ende des Lichtleiters im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch mit anderen schwenkbaren Teilen einer Meßapparatur zusammenwirken kann, beispielsweise kann der Lichtleiter fest mit einer Drosseklappe eines Durchflußmessers, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, verbunden sein, so daß die Auslenkung der Drosselklappe kontinuierlich erfaßt wird, Entsprechendes gilt für die Erfassung der Bewegung einer Membran oder dergleichen.It goes without saying that the free end of the light guide in the frame of the present invention also with other pivotable parts of a measuring apparatus can interact, for example, the light guide can be fixed to a throttle valve a flow meter, for example in a motor vehicle, connected so that the deflection of the throttle valve is continuously detected, the same is applicable for the detection of the movement of a membrane or the like.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages emerge from the description and the attached Drawing.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 2 einen Stromlaufplan für eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2.The invention is illustrated in the drawing and is described in the following Description explained in more detail. They show: FIG. 1 a schematic representation in FIG Section of an embodiment of a sensor according to the invention; Fig. 2 a Circuit diagram for a further embodiment of a sensor according to the invention; 3 shows a schematic illustration to explain the mode of operation of the exemplary embodiment according to FIG. 2.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel dient zum Messen eines Durchflusses eines gasförmigen Mediums. Es versteht sich jedoch, daß diese beispielhafte Darstellung den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Sensors nicht einschränkt, sondern lediglich als Illustration zu verstehen ist.The embodiment shown in Fig. 1 is used to measure a Flow of a gaseous medium. It is understood, however, that these are exemplary Representation does not restrict the application range of the sensor according to the invention, but is only to be understood as an illustration.
In Fig. 1 ist 10 ein Gehäuse, beispielsweise aus Kunststoff, bei dem zwischen einem ersten Abschnitt 11 und einem zweiten Abschnitt 12, die beispielsweise gegenüberliegende Wandungen einer Rohrleitung sein können, ein Lichtleiter 13 in einem Zwischenraum 14 einseitig eingespannt angeordnet ist.In Fig. 1 10 is a housing, for example made of plastic, in which between a first section 11 and a second section 12, which for example opposite walls of a pipeline can be a light guide 13 in an intermediate space 14 is arranged clamped on one side.
Selbstverständlich kann der Lichtleiter 13 auch mit einem beweglichen leil, beispielsweise einer Drosselklappe oder einer Membran, verbunden sein.Of course, the light guide 13 can also be equipped with a movable one leil, for example a throttle valve or a membrane, connected.
Eine Lampe 15 in einem Hohlraum 16 des ersten Abschnittes 11 ist über eine Zuleitung 17 mit einer Klemme 18 verbunden.A lamp 15 in a cavity 16 of the first section 11 is over a supply line 17 is connected to a terminal 18.
Wird die Lampe 15 angesteuert, beleuchtet sie das eine, eingespannte Ende des Lichtleiters 13.If the lamp 15 is activated, it illuminates the clamped one End of light guide 13.
Das freie Ende des Lichtleiters 13, aus dem bei Beleuchtung des anderen Endes durch die Lampe 15 Licht austritt, ist, wie mit dem Pfeil in Fig. 1 angedeutet, im Zwischenraum 14 beweglich, sei es durch das Einwirken einer externen Kraft, im dargestellten Beispiel der Kraft des anströmenden Mediums, einer mechanisch mit einem Bauteil ausgeiibten Kraft oder infolge der Trägheitskraft, wenn eine Beschleunigung oder Verzögerung auf den Sensor ausgeübt wird.The free end of the light guide 13 from which the other is illuminated At the end of the lamp 15 light emerges, as indicated by the arrow in Fig. 1, movable in space 14, be it through the action of an external force, in shown example of the force of the flowing medium, one mechanically with force exerted on a component or as a result of the inertial force when an acceleration or delay is applied to the sensor.
Das freie Ende des Lichtleiters 13 bewegt sich in der Nähe eines langgestreckten lumineszierenden Körpers 19, insbeondere eines Stabes, dessen Längsachse sich in der Nahe der Bewegungsbahn des freien Endes des Lichtleiters 13 befindet.The free end of the light guide 13 moves in the vicinity of an elongated one luminescent body 19, in particular a rod, the longitudinal axis of which is in the vicinity of the path of movement of the free end of the light guide 13 is located.
An einer Begrenzungsfläche des lumineszierenden Körpers 19, vorzugsweise an einem axialen Ende, ist ein photempfindliches Element 20 direkt oder über einen Lichtleiter angeschlossen. Vom photoempfindlichen Element 20 führt eine Leitung 21 zu einer Klemme 22, an der ein Meßwert abnehmbar ist.On a boundary surface of the luminescent body 19, preferably at one axial end, a photosensitive element 20 is directly or via a Light guide connected. A line leads from the photosensitive element 20 21 to a terminal 22 at which a measured value can be taken.
Das durchströmende Medium ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit Pfeilen 23 angedeutet. Unter der Kraft des anströmenden Mediums wird das freie Ende des Lichtleiters 13 in Pfeilrichtung ausgelenkt, so daß es sich in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des lumineszierenden Körpers 19 bewegt, die in Fig. 1 mit 24 als gekrümmte Oberfläche angedeutet ist. Es versteht sich jedoch, daß der Körper 19 auch gerade ausgebildet sein kann, so daß er parallel zu einer Tangente an die Ortskurve des freien Endes des Lichtleiters 13 liegt.The medium flowing through is in the exemplary embodiment in FIG. 1 indicated by arrows 23. Under the force of the flowing medium, the free becomes End of light guide 13 deflected in the direction of the arrow so that it moves in the immediate vicinity of the surface of the luminescent body 19, which is indicated in Fig. 1 with 24 as a curved surface. It goes without saying, however, that the body 19 can also be straight so that it is parallel to a Tangent to the locus of the free end of the light guide 13 is located.
Die Wirkungsweise des Sensors ist wie folgt: Das aus dem freien Ende des Lichtleiters 13 austretende Licht fällt je nach Auslenkung des freien Endes auf einen bestimmten Ort entlang der Längsachse des lumineszierenden Körpers 19. Das von den Luminophoren dieses Ortes ausgesandte Licht wird, unterstützt durch eine Totalreflektion an den Begrenzungsflächen des Körpers 19, zu den Begrenzungsflächen des Körpers 19 weitergeleitet und fällt dort auf das photoempfindliche Element 20. Da das Material des lumineszierenden Körpers 19 nicht ideal lichtleitend ist, gelangt das von den Luminophoren abgestrahlte Licht umso abgeschwächter auf das photoempfindliche Element 20, je weiter sich der Ort der vom freien Ende des Lichtleiters 13 beleuchteten Luminophore vom photoempfindichen Element 20 weg befindet.The mode of operation of the sensor is as follows: The one from the free end the light emerging from the light guide 13 falls depending on the deflection of the free end to a specific location along the longitudinal axis of the luminescent body 19. The light emitted by the luminophores of this place is supported by a total reflection at the boundary surfaces of the body 19 to the boundary surfaces of the body 19 and falls there onto the photosensitive element 20. Since the material of the luminescent body 19 is not ideally light-conducting, arrives the light emitted by the luminophores is all the more weakened on the photosensitive Element 20, the further the location is illuminated by the free end of the light guide 13 Luminophores from photosensitive element 20 is away.
Der an der Klemme 22 abnehmbare Meßwert in Gestalt einer elektrischen Spannung ist daher ein analoges Maß für den Ort des Beleuchtungsortes und damit für die Auslenkung des freien Endes des Lichtleiters 13.The measured value that can be removed at terminal 22 in the form of an electrical Voltage is therefore an analog measure for the location of the lighting location and thus for the deflection of the free end of the light guide 13.
Es versteht sich, daß das photoempfindliche Element 20 nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, an einem axialen Ende des Körpers 19 angebracht sein muß, es kann vielmehr irgendwo an einer Grenzfläche angeordnet sein, auch können mehrere Elemente 20 vorgesehen sein, die beispielsweise nach Art einer Britekenschaltung miteinander verbunden sein kennen, wie dies weiter unten zu Fig. 2 und 7 noch erlutert wird.It will be understood that the photosensitive element 20 does not, as shown in Fig. 1, must be attached to one axial end of the body 19, Rather, it can be arranged anywhere at an interface, and several can also be elements 20 be provided, for example in the manner of a Britek circuit with each other be connected, as will be explained below with regard to FIGS. 2 and 7.
Weiterhin beschränkt sich die Erfindung keineswegs auf Lichtleiter 13 in Gestalt von Lichtleitfaserkabeln oder quf lumineszierende Körper 19 in Gestalt eines Stabes, es kennen vielmehr der Lichtleiter 13 und der Körper 19 auch pl attenartige, folienartige oder sonstige Gestalt haben, je nachdem welche Meßaufgabe vorliegt. Bei einem Durchflußmesser der in die Figur gezeichneten Art kann beispielsweise ein Lich+leiter 13 in Gestalt einer flexiblen Folie wegen des hohleren Strömungswiderstandes von besonderem Vorteil sein, wobei der zugehörige Körper 19 dann wegen der breiten Austrittsfläche des Lichtes ebenso eine flpohenhafte Gestalt, beispielsweise einer lumineszierenden Platte, haben könnte.Furthermore, the invention is in no way limited to light guides 13 in the form of optical fiber cables or quf luminescent bodies 19 in the form of a rod, rather the light guide 13 and the body 19 also know plate-like, have a film-like or other shape, depending on the measurement task at hand. In the case of a flow meter of the type shown in the figure, for example a light + conductor 13 in the form of a flexible film because of the hollow flow resistance be of particular advantage, the associated body 19 then because of the broad The exit surface of the light also has a flip-like shape, for example one luminescent plate, could have.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemaß Fig. 1 an zwei gegen;iberl iegenden Enden des Körpers 19 photoempfindliche Elemente 20, 20a angebracht sind. Diese beiden Elemente 20, 20a stellen gleichzeitig die beiden mriglichen Endlagen des freien Endes des Lichtleiters 13 bei Auslenkung dar.Fig. 2 shows a further embodiment of an inventive Sensor, in which, in contrast to the embodiment according to FIG. 1, on two opposite; iberl Lying ends of the body 19 photosensitive elements 20, 20a are attached. These two elements 20, 20a simultaneously represent the two possible end positions of the free end of the light guide 13 when deflected.
Das photoempfindliche Element 20 ist über seine Leitung 21 und das weitere photoempfindliche Element 20a über eine Leitung 21a an die beiden Eingänge einer Dividierstufe 10 angeschlossen, deren Ausgang zu einer Klemme 51 f;ihrt.The photosensitive element 20 is via its line 21 and the further photosensitive element 20a via a line 21a to the two inputs connected to a dividing stage 10, the output of which goes to a terminal 51 f; her.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 sol im folgenden anhand Fig. 3 erläutert werden Geht man davon aus, daß der Körper 19 eine Gesamtlnge 1 habe, beträgt der Abstand des freien Endes des Körpers 13 in einer bestimmten Position zu dem einen freien Ende x und der Abstand zum anderen freien Ende 1 - x. Auf die photoempfindlichen Elemente 20, 20a fnllt dann ein Lichtsignal I1 bzw.The mode of operation of the circuit arrangement according to FIG. 2 is described below will be explained with reference to FIG. 3 Assume that the body 19 have an overall length of 1, the distance from the free end of the body is 13 in a certain position to the one free end x and the distance to the other free end 1 - x. A light signal then falls on the photosensitive elements 20, 20a I1 or
12, je nachdem wie groß x ist. In Fig. 3 sind die Elemente 20, 20a lediglich der Veranschaulichung halber etwas vom Körper 19 abgerückt dargestellt, bei einer praktischen Ausführungsform grenzen sie selbstverstandlich an die jeweiligen Grenzflächen des Körpers 19.12, depending on how big x is. In Fig. 3 are the elements 20, 20a only shown slightly removed from the body 19 for the sake of illustration, in a practical embodiment they of course border on the respective Body interfaces 19.
Bezeichnet man nun mit α die optische Dämpfungskonstante des Materiales des Körpers 19, kann man zeigen, daB fir den Quotienten der Intensiteten I I2 gilt: I1/I2 = C exp (-2 αx) FiAr die Konstante C gilt dabei C = exp (l).The optical attenuation constant des is now denoted by α Material of the body 19, one can show that for the quotient of the intensities I I2 applies: I1 / I2 = C exp (-2 αx) For the constant C, C = exp (l) applies.
Wie man sieht, liegt an der Klemme 31 gemaß Fig. 2 ein Signal an, das sich exponentiell mit dem Abstand x oder.As you can see, there is a signal at terminal 31 according to Fig. 2, that is exponentially with the distance x or.
Durch Bildung des natürlichen Logarithmus kann man nun beispielsweise eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignales von der Größe x herstellen, auch an sich bekannte Vergleichsverfahren mit Wertetabellen sind einsetzbar.By taking the natural logarithm, you can now, for example establish a linear dependence of the output signal on the quantity x, too Comparison methods known per se with tables of values can be used.
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