DE3517054C1 - Optoelektrischer Geber zur Messung mechanischer Größen - Google Patents

Description

• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
• Der in Fig. 1 dargestellte Geber besteht aus einem Gehäuse 1 mit einer Öffnung l.l,welche durch eine zumindest innenseitig reflektierende Membran 2 abgeschlossen ist. Diese Membran 2 stellt das optische Element dar, auf welches die zu messende mechanische Größe M, also z. B. der auf die Membran wirkende Druck, gemessen werden soll. Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich eine Lichtquelle 3, deren Licht über einen Kollimator 4 in ein paralleles Strahlenbündel 5 umgewandelt wird. Das Strahlenbündel 5 ist so ausgerichtet, daß es senkrecht auf die Membran 2 auftrifft und bei nichtgekrümmter Membran in sich zurückreflektiert würde. Im Strahlenbündel 5 befindet sich vor der Membran 2 ein Detektor 6, welcher wie folgt aufgebaut ist: Auf einem dünnen, flachen und lichtdurchlässigen Substrat 6.1 sind beidseitig in Durchsicht geometrisch deckungsgleiche Solarelemente 6.2 und 6.3 z. B. aus amorphem Silizium, aufgebracht, die jeweils aus einer Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Einzelelementen bestehen. Die Einzelelemente 6.2 bzw. 6.3 sind über lichtdurchlässige Elektroden 6.4 bzw. 6.5 elektrisch verbunden. Die Geometrie und Anordnung der Einzelelemente läßt sich durch die Geometrie der jeweils bei der Solarzellenherstellung verwendeten Maske frei wählen und kann z. B. eine schachbrettartige Anordnung oder konzentrische Ringe aufweisen. Dabei bilden diejeweiligen Einzelelemente eine lichtundurchlässige Struktur, wobei die Zwischenräume zwischen den Einzelelementen lichtdurchlässig sind. Durch die gezeigte Anordnung des Detektors 6 im Strahlengang 5 werden die lichtempfindlichen Elemente 6.3 ständig beleuchtet und bilden somit Referenzelemente, die einer Beleuchtungsstärke IR = a IQ iQ ausgesetzt sind, wobei a ein Proportionalitätsfaktor und IQ die Intensität der Lichtquelle 3 bedeutet.
• Die in Strahlrichtung gesehen hinter den Einzelelementen 6.3 angeordneten Elemente 6.2 werden von den Elementen 6.3 vollständig abgeschattet, so daß im Idealfall bei nichtverformter Membrane 2 die Beleuchtungsstärke Is für die Elemente 6.2 Null ist. Bei Verformung der Membran 2 durch eine mechanische Größe M wird das durch die Freiräume zwischen den Elementen 6.2 und 6.3 hindurchtretende Licht nicht mehr exakt um 1800 reilektiert, so daß nun auch auf die Elemente 6.2 Licht mit der Beleuchtungsstärke Is = IQ F(M) fällt; dabei bedeutet F(M) eine der Durchbiegung der Membran 2 durch die Kraft M entsprechende Funktion, die berücksichtigt, daß das einfallende Licht nun zum Teil seitlich abgelenkt wird und auf die Elemente 6.2 trifft.
• Für lichtempfindliche Elemente auf der Basis von amorphem Silizium gilt, wie für Solarzellen auf Halbleiterbasis allgemein, die bekannte logarithmische Abhängigkeit zwischen Fotospannung Up und Fotostrom Ip, also Ulogj.
• Die Elemente 6.2 bzw. 6.3 können schaltungstechnisch gesehen als Diode betrachtet werden und sind gemäß Fig. 2 gegensinnig verschaltet. Die Ausgangsspannung UA ist dann gegeben durch: UA =b h log }RS - b log IQ F(M) = b log I;(M) IR a#IQ a Die Ausgangsspannung UA ist also unabhängig von der Intensität IQ der Lichtquelle und nur abhängig von den Proportionalitätskonstanten a und b sowie von der Funktion F(M).
• Anstelle der verformbareren Membran 2 kann auf der Öffnung 1.1 des Gehäuses 1 auch ein planes, lichtdurchiässiges Fenster montiert sein. Dann erhalten die dem Fenster zugewandten Elemente 6.2 nur dann Strahlung der Lichtquelle 3, wenn sich dem Fenster ein reflektierendes oder lichtstreuendes Objekt nähert. Auf diese Weise läßt sich z. B. ein Annäherungsensor realisieren, der dann vorzugsweise mit einer gepulsten Lichtquelle betrieben wird, um den Einfluß von Fremdlichtquellen auszuschalten. Es ist weiterhin möglich, einen Teil der Referenzelemente 6.3 durch entsprechend geformte, lichtabsorbierende Schichten zu ersetzen, wodurch sich die Funktion des Gebers nicht ändert.
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Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Optoelektrischer Geber mit einer Lichtquelle, mindestens einem Detektor sowie einem von einer zu messenden mechanischen Größe beaufschlagten optischen Element, welches die von dem Detektor empfangene Intensität des Lichtes der Lichtquelle entsprechend der mechanischen Größe verändert und dazu auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des Detektors im parallelen Strahlengang der Lichtquelle angeordnet ist und das auftreffende Licht zurückwirft, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor(6) zwei in dem parallelen Strahlengang (5) der Lichtquelle (3) hintereinander angeordnete transparente Flächen mit deckungsgleichen, opaken, lichtempfindlichen Strukturen (6.2, 6.3) aufweist, daß die lichtempfindliche Struktur (6.3) einer Fläche - in Richtung des das optische Element (2) beleuchtenden Strahlengangs gesehen - diejenige (6.2) der anderen Fläche abschattet und, daß das optische Element derart angeordnet und beschaffen ist, daß bei Beaufschlagung des optischen Elementes (2) mit der zu messenden mechanischen Größe (M) Licht auch auf die im beleuchtenden Strahlengang abgeschattete lichtempfindliche Struktur (6.2) gelangt.
2. 2. Optoelektrischer Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine reflektierende Membrane (2) ist.
3. 3. Optoelektrischer Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element durch ein sich dem Detektor näherndes Objekt, das reflektierend oder lichtstreuend ist, gebildet ist.
4. 4. Optoelektrischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Strukturen (6.2, 6.3) aus einer Vielzahl von Detektorelementen aufgebaut sind.
5. 5. Optoelektnscher Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Strukturen (6.2, 6.3), bzw. die Detektorelemente der beiden Flächen elektrisch gegensinnig verschaltet sind.

   Die Erfindung betrifft einen optoelektrischen Geber mit einer Lichtquelle, mindestens einem Detektor sowie einem von einer zu messenden mechanischen Größe beaufschlagten optischen Element, welches die von dem Detektor empfangene Intensität des Lichtes der Lichtquelle entsprechend der mechanischen Größe verändert und dazu auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des Detektors im parallelen Strahlengang der Lichtquelle angeordnet ist und das auftreffende Licht zurückwirft.

   Geber dieser Art sind vielfach bekannt und beispielsweise bei Christoph Rohrbach »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen«, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1967, unter dem Stichwort »Fotoelektrische Geber« beschrieben. Eine bekannte Ausführungsform eines derartigen Gebers besteht beispielsweise aus einem großflächigen Detektor, der von einer Lichtquelle angestrahlt wird, wobei in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Detektor eine Blende in Abhängigkeit von der zu messenden mechanischen Größe geschoben wird.

   Aus dem DE-Gbm 18 12 856 ist ein fotoelektrischer Umwandler zur leistungslosen Messung von Bewegungen an Körperflächen bekannt, bei dem eine Lichtquelle und eine Fotozelle in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und auf die zu beobachtende Körperstelle zum Reflektieren des Strahlenbündels der Lichtquelle und zur Rückführung der reflektierten Strahlen zu der Fotozelle ausgerichtet sind. Bei Bewegungen des Körpers ändert sich die Intensität der empfangenen Strahlung. Die dadurch verursachten relativen Stromschwankungen in dem Fotoelement werden in einem anschließenden Registriergerät bekannter Art auf Kurven aufgezeichnet.

   Aus der US-PS 44 05 197 ist ein faseroptischer Berührungssensor bekannt, bei dem das aus einer Lichtleitfaser austretende Licht einer Lichtquelle an einer elastischen Membran reflektiert wird und von dort in einen Empfangslichtleiter mit einem Fotoelement eingekoppelt wird. Bei Berührung der elastischen Membrane ändern sich die Reflexionsverhältnisse und damit die Intensität des in den Empfangslichtleiter eingekoppelten Lichtes.

   Eine ähnliche Einrichtung mit einer elastischen, lichtreflektierenden Membran ist aus der DE-OS 23 08.785 bekannt. Bei dieser Einrichtung werden durch elektrooptische Mittel Signale in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran aus ihrerNullstellung erzeugt; eine elektrostatische Einrichtung bewegt dann die Membran in Abhängigkeit von einem negativen Rückkopplungssignal in ihre Nullstellung zurück.

   Aus der DE-AS 23 35 794 ist eine optoelektrische Vorrichtung mit zwei Lichtquellen bekannt, die zwei abwechselnd aufeinanderfolgende, auf einen Bereich eines Objekts sichtbare und von diesen reflektierbare Lichtbündel erzeugen, wobei mit einem Sensor mindestens ein an dem Objekt reflektiertes Lichtbündel erfaßt und anschließend ausgewertet wird. Die beiden Lichtquellen und der Sensor sind dabei so angeordnet, daß bei spiegelnd reflektierenden Objekten nur das Lichtbündel der einen Lichtquelle auf den Sensor reflektiert wird, während bei diffusreflektierenden Objekten Anteile beider Lichtbündel auf den Sensor reflektiert werden.

   Aus derDE-OS 25 09 932 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verschiebung einesWerkzeuges bekannt, wobei aufdem Werkzeug ein Raster angeordnet ist. Das auf das Raster fallende Licht einer Lichtquelle wird von einer Fotodetektorzeile aufgenommen und ausgewertet. Im Zusammenwirken von Meßraster und Fotozeile entstehen Moiremuster, wobei je nach Bewegungsrichtung des Werkzeuges und des damit verbundenen Meßrasters Frequenzänderungen im Meßsignal verursacht werden.

   Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, einen möglichst großflächigen Sensor zur Messung mechanischer Größen, wie z. B. Druck, Kraft, Weg oder Beschleunigung, zu schaffen, der einfach aufgebaut und dennoch empfindlich ist. Diese Aufgabe wird durch einen nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten optoelektrischen Geber gelöst.