DE3433343C2

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Info

Publication number: DE3433343C2
Application number: DE19843433343
Authority: DE
Inventors: Hans-Helmut Dipl.-Phys. 7541 Straubenhardt De Marguerre
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-09-11
Filing date: 1984-09-11
Publication date: 1989-09-14
Also published as: DE3433343A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Meßanord nung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Meßanordnung dieser Art (Spenner, Kersten, Ramakrischnan: "Faseroptische Multimode-Sensoren: Eine Über sicht", Laser und Optoelektronik Nr. 3, 1983, Seiten 226-234) werden die vom Meßfühler ausgehenden Lichtstrahlen in ihrer Intensität oder in ihrer Reflexionsrichtung vom Meßobjekt der art beeinflußt, daß die in den Meßfühler wieder eintretenden Lichtstrahlen eine Aussage über auf das Meßobjekt einwirkende physikalische Größen erlauben. Anwendungsbeispiele sind unter anderem die Messung von Entfernungen und Verschiebungen. Wei terhin können je nach Konstruktion des Meßobjekts auch Messun gen von Druck oder Druckschwankungen, Temperatur, Durchfluß oder Schwingungen durchgeführt werden. Bei der Durchführung von Messungen mit der bekannten Meßanordnung sind insbesondere die Leitungsverluste des Lichts in der faseroptischen Übertragungs strecke und im Bereich des Meßfühlers bzw. im offenen Lichtweg kritisch, da es für eine ausreichende Meßempfindlichkeit wich tig ist, daß noch eine ausreichende Lichtmenge reflektiert wird bzw. auch ein intensitätsanaloger Meßeffekt bei der Beeinflus sung der Lichtparameter eingehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fotoelektrische Meßanordnung zu schaffen, bei der eine ausreichende Meßempfind lichkeit auch bei Meßobjekten mit schwierigem Reflexions verhalten gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine erfindungsgemäße foto elektrische Meßanordnung der eingangs genannten Art die Merk male des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Die Anwendung einer Retroreflektoranordnung mit einer Lichtrückführung durch Retro reflexion ist insofern vorteilhaft, als hierdurch die Licht verluste klein gehalten werden können. Denn die Reflexionen am Meßobjekt und an der Retroreflektoranordnung können in einem solchen Winkel erfolgen, daß eine möglichst große Rückführung von Lichtstrahlen in die faseroptische Übertragungsstrecke gewährleistet ist. Bei stark spiegelnden oder zum Teil glänzen den Oberflächen sind hier größere Toleranzen bezüglich des Nei gungswinkels der Oberfläche bezüglich des Strahlengangs zuläs sig. Durch die geringen Lichtverluste kann auch eine Steigerung der Erkennungssicherheit von Objektmerkmalen erreicht werden. Die faseroptische Übertragungsstrecke kann in üblicher Weise aus einer einzigen Multimode-Faser bestehen oder auch aus meh reren einzelnen Fasern zusammengesetzt sein.

Aus der DE-OS 20 43 831 ist für sich bekannt, bei einem foto elektrischen Verfahren zur Überwachung bewegter Körper eine Retroreflektoranordnung dem Lichtaustritt gegenüber anzuordnen. Bewegungen des Objektes werden durch die veränderten Rück strahlbedingungen der Lichtstrahlen detektiert.

Es ist weiterhin bereits für sich in der älteren, nicht vorver öffentlichten deutschen Patentanmeldung P 34 06 066.9 beschrie ben, daß bei einer fotoelektrischen Meßanordnung zur Erfassung räumlicher Unebenheiten in der Struktur eines Objekts Retro reflektoren im Lichtweg der Meßanordnung angebracht werden. Auch hier wird das Objekt zunächst von einer Lichtquelle be leuchtet, und die vom Meßobjekt zurückgeworfenen Lichtstrahlen werden analysiert. Auch bei dieser Meßanordnung können die Lichtverluste in der Meßanordnung dadurch klein gehalten wer den, daß eine Retroreflektoranordnung angebracht ist, die die vom Meßobjekt reflektierten Lichtstrahlen wieder zurück auf das Meßobjekt und in eine Kamera reflektiert. Bei dieser Anordnung sind jedoch keine faseroptische Übertragungsstrecke und kein spezieller, konstruktiv aufwendiger Meßfühler vorhanden, womit hinsichtlich der Lichtverluste andere Bedingungen herrschen und auch bei der Anbringung der Retroreflektoranordnung anderen konstruktiven Gegebenheiten Rechnung getragen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung werden die austretenden Lichtstrahlen zuerst vom Meßobjekt und dann von der im Bereich des Lichtaustritts des Meßfühlers angebrachten Retroreflektor anordnung und wiederum vom Meßobjekt in den faseroptischen Übertragungsweg reflektiert. Hiermit kann beispielsweise gemäß Anspruch 2 in einfacher Weise die Entfernung zwischen dem Lichtaustritt und der Oberfläche des Meßobjekts erfaßt werden, da sich bei einer Verschiebung eine geänderte Strahlauffäche rung im offenen Lichtweg ergibt. Der Meßeffekt ist hier bedingt durch die vom Beobachtungswinkel abhängige Lichtreflexion der Retroreflektoranordnung, wobei sich die intensitätsanaloge Meß größe aus dem Verhältnis des Querschnitts der faseroptischen Übertragungsstrecke und der Auffächerungsfläche in der Ein trittsebene der Übertragungsstrecke ergibt.

Mit der erfindungsgemäßen Weiterbildung der Meßanordnung nach Anspruch 3 ist über die Messung der Durchbiegung der als Mem bran ausgeführten Oberfläche des Meßobjekts eine Erfassung von Druck oder Temperatur möglich, während Neigungsänderungen des Meßobjekts in erster Näherung kein Meßsignal hervorrufen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei

Fig. 1 und Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Meßanordnung mit Retroreflektoranordnung im Bereich des Lichtaustritts zeigen.

Bei einem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Meßanordnung ist eine Lichtquelle LQ vorhanden, die Licht strahlen 1 über eine faseroptische Übertragungsstrecke OÜ zu einem offenen Lichtweg bzw. einem Meßfühler MF überträgt. Am Meßfühler MF ist rechtwinklig zur optischen Achse der Licht strahlen 1 und 2 eine Retroreflektoranordnung RR, beispiels weise als Kreisringscheibe, angebracht. Am Lichtaus- bzw. -eintritt 3 des Meßfühlers MF verlassen die Lichstrahlen 1 die faseroptische Übertragungsstrecke OÜ und treffen auf eine Oberfläche eines Meßobjekts MO. Von hier werden sie in den Retroreflektor RR reflektiert und parallel dazu wieder zur Oberfläche des Meßobjekts MO zurückgeworfen. Von der Oberfläche des Meßobjekts MO gelangen sie wieder im gleichen Winkel zur optischen Achse, wie sie die Übertragungsstrecke verlassen haben, in den Lichteintritt des Meßfühlers MF an der optischen Übertragungsstrecke zurück. Als Meßgröße soll hier die Entfer nung d vom Lichtaustritt 3 des Meßfühlers und der Oberfläche des Meßobjekts MO dienen. Der Meßeffekt basiert hier auf der Strahlauffächerung, die bedingt ist durch die vom Beobachtungs winkel abhängige Lichtreflexion des Retroreflektors. Die inten sitätsanaloge Meßgröße ergibt sich aus dem Verhältnis des Quer schnitts der faseroptischen Übertragungsstrecke und der Auf fächerungsfläche in der Eintrittsebene 3 des Lichts an der faseroptischen Übertragungsstrecke. Die Lichstrahlen 2 werden sodann durch die faseroptische Übertragungsstrecke OÜ über ei nen Strahlteiler ST zu einem fotoelektrischen Sensor OS ge leitet. Im fotoelektrischen Sensor OS wird das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches mit einer Aus werteeinheit AE weiterverarbeitet werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist das Meßobjekt MO als Membran ausgeführt, wobei hier die Durchbiegung der Membran als Meßgröße dient. Der Meßeffekt basiert auch hier auf der unterschiedlichen Strahlauffächerung, abhängig von der Durch biegung der Membran und der somit unterschiedlichen Intensität der zurückgeworfenen Lichtstrahlen. Die hier nicht dargestell ten Teile der fotoelektrischen Meßanordnung sind gleich wie bei der Fig. 1 aufgebaut.

Claims

1. Fotoelektrische Meßanordnung mit

- einer Lichtquelle,
- einem von der Lichtquelle beaufschlagten Strahlenteiler,
- einer dem Strahlenteiler im einfallenden Strahlengang nachgeordneten faseroptischen Übertragungsstrecke, deren erstes Ende dem Strahlenteiler zugewandt ist,
- einem offenen Lichtweg zwischen dem zweiten Ende der faser optischen Übertragungsstrecke und einem ein Meßobjekt ver körpernden Reflektor, wobei der in Lichtausbreitungsrichtung gemessene Abstand zwischen diesem zweiten Ende und dem Re flektor von einer zu messenden physikalischen Größe abhängig ist, und mit
- einem fotoelektrischen Sensor, dem am Meßobjekt bzw. Reflek tor reflektiertes Licht über das zweite Ende der faseropti schen Übertragungsstrecke, diese Übertragungsstrecke selbst, deren erstes Ende und den Strahlenteiler zuführbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Retroreflektoranordnung (RR) um das zweite Ende der faseroptischen Übertragungsstrecke (OÜ) derart herum ange bracht ist, daß dann, wenn erstmals am Meßobjekt (MO) reflek tiertes Licht nicht zum zweiten Ende der Übertragungsstrecke (OÜ) gelenkt ist, dieses Licht nach seiner Reflexion an der Retroreflektoranordnung (RR) und einer weiteren Reflexion am Meßobjekt (MO) zu dem zweiten Ende der Übertragungsstrecke gelangen kann.

2. Fotoelektrische Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der das Meßobjekt verkörpernde Reflektor eine ebene Ober fläche hat, die parallel zur Lichtaustrittsebene am zweiten Ende der faseroptischen Übertragungsstrecke verläuft.

3. Fotoelektrische Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Meßobjekt (MO) eine verspiegelte Membran ist, die aufgrund mechanischer Kräfte durchbiegbar ist.