DE3634244A1

DE3634244A1 - Optoelektronischer neigungssensor

Info

Publication number: DE3634244A1
Application number: DE19863634244
Authority: DE
Inventors: Uwe Herchel; Stefanos Dipl Ing Dermitzakis
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1986-10-08
Publication date: 1988-04-21

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Nei gungssensor mit einem Strahlungssender und einem Strah lungsdetektor.

Neigungssensoren dienen beispielsweise dem Zweck, als Gleichgewichtsorgan die Auslenkung eines Systems aus einer Ruhelage zu erfassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungssensor anzugeben, der einfach in seinem Aufbau ist und der eine hohe Zuverlässigkeit garan tiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Strahlengang des Strahlungssenders ein lichtbre chendes oder lichtreflektierendes Medium vorgesehen ist, dessen relative Lage gegenüber dem Strahlungssen der bzw. dem Strahlungsdetektor veränderbar ist.

Dies kann in vorteilhaften Weiterbildungen dadurch geschehen, daß das Medium zwischen dem Strahlungssender und dem Strahlungsdetektor angeordnet ist. Bei einer Reflexion des Lichtstrahls am Medium ist der Strah lungsdetektor und der Strahlungssender beispielsweise in einer Ebene gegenüber der Mediumoberfläche anzuord nen.

Der erfindungsgemäße Neigungssensor hat den wesentli chen Vorteil, daß er in vielen Anwendungsfällen ein setzbar ist. Außerdem ist er unempfindlich gegen mag netische Felder. Er kann zur Ebenenerfassung verwendet werden, da bei geeigneter Ausgestaltung des Strahlungs detektors zwei Dimensionen erfaßt werden können. Die Nullage des Neigungssensors kann elektronisch verändert werden, so daß der Sensor an unterschiedlichen Unter lagen angebracht werden kann. Weitere vorteilhafte Aus gestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Die prinzipielle Wirkungsweise des optoelek tronischen Neigungssensors

Fig. 2 Ein optoelektronischer Neigungssensor mit einem Linsensystem auf einem scheibenförmigen Schwimmer

Fig. 3a Einen optoelektronischen Neigungssensor mit einer lichtreflektierenden Flüssigkeit

Fig. 3b Eine Modifikation der Fig. 3a

Fig. 4 Einen optoelektronischen Neigungssensor mit einer kugelförmigen Kapselung

Fig. 5 Eine Modifikation der Fig. 4

Der in der Fig. 1 dargestellte optoelektronische Nei gungssensor besteht aus einer Kapselung 3, in die ein lichtbrechendes Medium 6 eingebracht ist. Die Kapselung ist z. B. ein zylinderförmiges Gefäß, das am Deckel und am Boden je ein lichtdurchlässiges, im Strahlungsgang zwischen dem Strahlungssender 1 und dem Strahlungsde tektor 2 liegendes Fenster 4 aufweist. Dies kann bei spielsweise ein Glasfenster sein.

Das flüssige Medium 6 füllt diese Kapselung nur teil weise aus, so daß seine Oberfläche 5 bei einer Neigung des Systems aufgrund der einwirkenden Schwerkraft seine Lage beibehält.

An der Oberseite der Kapselung ist als Strahlungssender eine Leuchtdiode 1 angebracht, die durch das Fenster 4 im Deckel der Kapselung Licht einstrahlt. Auf der ge genüberliegenden Seite ist als Strahlungsempfänger ein Vier-Quadranten Fotodioden Detektor 2 angeordnet, der von der die Kapsel durchdringenden Strahlung 9 getrof fen wird. Der Detektor 2 liegt vorzugsweise in einer zur unteren Deckelseite der Kapselung 3 planparallelen Ebene. Die Leuchtdiode 1, die Kapselung 3 und der Vier- Quadranten Fotodioden Detektor 2 sind in ein Gehäuse (10) so eingebaut, daß die gegenseitige Lage von Strah lungssender 1, Strahlungsdetektor 2 und Kapselung 3 fixiert ist.

Die Wirkungsweise des optoelektronischen Neigungssen sors ergibt sich wie folgt:

Im Ruhezustand, also bei fehlender Neigung des Sensors tritt der Lichtstrahl 9 ungebrochen durch das Medium 6 hindurch, so daß der Strahlungsdetektor 2 bei zentri scher Anordnung zur Leuchtdiode 1 mit einer gleichmäßi gen Intensitätsverteilung beaufschlagt wird. Wird der Neigungssensor 10 geneigt, so ändert sich die relative Lage der Oberfläche 5′ des Mediums 6 gegenüber dem Strahlungsgang 9 und das auf das Medium treffende und hindurchtretende Licht wird gebrochen, so daß es nur noch auf einen Teil des Vier-Quadranten Fotodioden Detektors trifft bzw. die Intensitätsverteilung des auftreffenden Lichtes am Detektor gegenüber dem unge neigten Zustand stark verändert wird. Anstelle eines Vierquadranten-Detektors können auch 4 diskrete, im Rechteck angeordnete Fotodioden oder Fototransistoren oder fotoempfindliche CCD-Zeilen verwendet werden. In einer nicht dargestellten Auswerteelektronik wird die Intensitätsverteilung des gebrochenen Lichts 9′ erfaßt und in ein analoges, die Neigung in zwei Dimen sionen wiedergebendes Signal gewandelt. Eine bestimmte, auch ungleichmäßige Intensitätsverteilung am Detektor kann durch entsprechende Programmierung der Auswerte elektronik als Nullpunkt bzw. als Ausgangslage defi niert werden, so daß auch Abweichungen von einer Aus gangsschräglage erfaßt werden können.

Die Fig. 2 zeigt eine Modifikation der Fig. 1. Dort ist auf der Oberfläche des flüssigen Mediums 6 ein scheibenförmiger Schwimmer 8 mit einer im Strahlengang angeordneten konzentrischen Linse 7 zur Verstärkung der Lichtbrechung und zur besseren Abbildung des Licht strahls 9 auf den Detektor 2 angeordnet.

Der Schwimmer 8 besteht beispielsweise aus Styropor. Als Medium eignet sich beispielsweise Wasser oder Öl, das die Kapselung 3 zur Hälfte bis zu zwei Dritteln füllt. Der Schwimmer enthält in einer vorteilhaften, aber nicht dargestellten Ausführungsform ein lichtlei tendes Medium zwischen den beiden Oberflächenseiten oder zwischen der Linse und der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Schwimmers. Bei dem lichtleitenden Medium handelt es sich beispielsweise um eine Glasfaser.

Fig. 3a zeigt einen Neigungssensor, bei dem als Medium eine reflektierende Flüssigkeit, z. B. Quecksilber verwendet wird. Deshalb ist der Vier-Quadranten Foto dioden Detektor 2 auf der gleichen Seite wie der Strah lungssender 1 angeordnet und ist um diesen Sender grup piert. Der Deckel der Kapselung 3 ist lichtdurchlässig, so daß der an der Oberfläche 5 des Mediums 6 reflek tierte Strahl 9 bzw. 9′ hindurchtreten kann und auf den Detektor 2 bzw. dessen Einzelelemente trifft.

Fig. 3b zeigt eine Modifikation der Fig. 3a. Dort ist auf der Oberfläche des Mediums 6 ein scheibenförmiger Schwimmer 8 mit einer spiegelnden Oberfläche 11 ange ordnet. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn das Medium 6 keine geeigneten Reflexionseigenschaften aufweist.

Fig. 4 zeigt eine kugelförmige Kapselung 3 für das Medium 6, auf dem ein Schwimmer 8 mit einem im Strah lungsgang angeordneten Linsensystem 7 angebracht ist.

Durch diese Ausgestaltung lassen sich Neigungen bis zu 180° erfassen, wenn die Kapselung 3 am gesamten Umfang lichtdurchlässig ist. Ein zusätzlicher Vorteil für die Funktion ergibt sich hier durch die Linsenwirkung der Kugelform des Gefäßes.

Die Fig. 5 zeigt eine Modifikation der Fig. 4. Dort ist als Medium eine reflektierende Flüssigkeit vorge sehen, und der Vier-Quadranten Fotodioden Detektor 2 ist auf der gleichen Seite wie der Strahlungssender um diesen gruppiert angeordnet. Bei einem ungeeignet reflektierenden Medium kann man einen Schwimmer mit spiegelnder Oberfläche, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3b, vorsehen.

Der erfindungsgemäße optoelektronische Neigungssensor eignet sich z. B. zum Einsatz bei der Diebstahlsiche rung, als Beschleunigungsmesser, als Fahrwerkstabili sator-Geber im Kraftfahrzeug, als Neigungsmesser in der Schiffahrt, bei schwimmenden Reparaturdocks, Autos und Flugzeugen, für die Robotersteuerung und zur Steuerung von Computer-Grafiken etc.

Claims

1. Optoelektronischer Neigungssensor mit einem Strah lungssender und einem Strahlungsdetektor, dadurch ge kennzeichnet, daß im Strahlengang (9) des Strahlungs senders (1) ein lichtbrechendes oder lichtreflektie rendes Medium (6) vorgesehen ist, dessen relative Lage gegenüber dem Strahlungssender (1) bzw. dem Strahlungs detektor (2) veränderbar ist.

2. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (6) zwischen dem Strahlungssender (1) und dem Strahlungsdetektor (2) angeordnet ist.

3. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsdetektor (2) und der Strahlungssender (1) in einer Ebene angeordnet sind.

4. Optoelektronischer Neigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtbrechende oder lichtreflektierende Medium (6) eine Flüssigkeit ist, die in einer Kapselung (3) ein geschlossen ist und diese nur teilweise füllt.

5. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanisch feste Ver bindung zwischen der Kapselung (3) und dem Strahlungs sender (1) sowie dem Strahlungsdetektor (2) vorhanden ist.

6. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung (3) zylin drisch oder kugelförmig ausgebildet ist.

7. Optoelektronischer Neigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der relativen Lage des Mediums (6) in der Kapselung (3) zum Strahlengang der Strahlungsdetek tor (2) mit unterschiedlicher Intensitätsverteilung angestrahlt wird.

8. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung am Strahlungsdetektor (2) in ein analoges, die Neigung wiedergebendes Signal verwandelt wird.

9. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungs detektor (2) ein Vier-Quadranten Fotodioden Empfänger oder lichtempfindliche CCD-Zeilen verwendet wird.

10. Optoelektronischer Neigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (6) aus Wasser, Quecksilber, Öl oder einem zähflüssigen Material besteht.

11. Optoelektronischer Neigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kapselung (3) auf dem flüssigen Medium ein schei benförmiger Schwimmer (8) angebracht ist, der als Re flektor dient oder mit einer konzentrisch im Strahlen gang angeordneten lichtdurchlässigen Linse (7) versehen ist.

12. Optoelektronischer Neigungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (8) ein licht leitendes Medium, wie eine Glasfaser enthält.

13. Optoelektronischer Neigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ver wendung als Gleichgewichtsorgan, in der Kraftfahrzeug elektronik, Schiffahrt und zur Steuerung von Computer- Grafiken.

14. Optoelektronischer Neigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ver wendung als Beschleunigungsmesser.