DE3640519A1 - Optischer lagemesswandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Lagemeßwandler
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Optische Lagemeßwandler sind in verschiedenen Ausführungs
formen bekannt. Bei ihnen wird eine Lichtquelle und
ein Empfänger verwandt, wobei die auf den Empfänger
einfallende Strahlung verändert wird in Übereinstimmung
mit einer zu messenden Stellung oder Lage. Zur Veränderung
der zwischen Lichtquelle und Empfänger in Abhängigkeit
der zu messenden Lage durchgelassen Strahlung werden
beispielsweise bewegbare Masken verwendet, die eine
Öffnung von veränderbarer Größe aufweisen. Es werden
auch neutrale Dämpfungsfilter verwendet, bei denen die
Dämpfung in Richtung der Verschiebung des Filters sich
verändert. Derartige Wandler arbeiten zufriedenstellend,
vorausgesetzt, daß die auf den Empfänger einfallende
Strahlungsintensität nicht aus anderen Gründen verändert
wird. Irgendwelche Änderungen bei der von der Lichtquelle
ausgesandten Strahlung, beispielsweise infolge einer
Veränderung in der Stromversorgung der Lichtquelle, verur
sachen jedoch Fehlmessungen, die eine Lagemessung wieder
geben, die in Wirklichkeit nicht vorhanden ist.
Es besteht die Aufgabe, den optischen Lagemeßwandler
so auszubilden, daß Änderungen bei der Lichtquelle oder
im Übertragungsweg des Lichtes die Lagemessung nicht
beeinflussen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
den Unteransprüchen entnehmbar.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Wandlers;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strahlungs
charakteristik der Lichtquelle und der
Durchlaßcharakteristik des Filters;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III
in Fig. 1, bei der das Filter in seiner
mittigen Lage dargestellt ist;
Fig. 3a und 3b die Stellung des Filters relativ zum
Lichtstrahl in den beiden Extremlagen
des Filters;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ausgangs
signale der Detektoren bei einer Verschie
bung des Filters relativ zum Lichtstrahl
und
Fig. 5 und 6 alternative Ausführungsformen des Filters.
Der Wandler gem Fig. 1 weist eine Lichtquelle 1 auf,
die einem Ende einer faseroptischen Leitung 2 optische
Strahlung zuführt. Die optische Strahlung kann sichtbar,
infrarot oder ultraviolett sein. Das andere Ende der
Leitung 2 endet vor einer Kollimationslinse 3, welche
einen im wesentlichen parallelen Strahl erzeugt, der
auf eine gleichartige Linse 4 einfällt, welche vor einem
Ende einer zweiten faseroptischen Leitung 5 angeordnet
ist. Zwischen den beiden Linsen 3 und 4 ist im Strahl
angeordnet eine Filteranordnung 20, die quer zum parallelen
Strahl verschiebbar ist.
Die Strahlung am anderen Ende der zweiten Leitung 5
wird zwei voneinander getrennten Strahlungsdetektoren
7 und 8 zugeführt. Dies wird erreicht durch eine Lei
tungsverzweigung oder durch andere konventionelle opti
sche Mittel. Die Detektoren 7 und 8 sprechen auf unterschied
liche Wellenlängen Lambdasieben und Lambdaacht an. An
ihren Ausgängen tritt jeweils ein elektrisches Signal
auf, das einem Komparator 9 zugeführt wird, dessen Aus
gang mit einer Anzeigevorrichtung oder einem anderen
Steuerungsmittel 10 verbunden ist.
Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, weist der Ausgang der
Lichtquelle 1 gem. Fig. 2 eine kontinuierliche Linie
auf, welche eine relativ breitbandige Emissionscharakteris
tik zeigt. Die Durchgangscharakteristik des Filterteils
der Baueinheit 20 ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.
Diese Durchgangscharakteristik weist im Bereich der
Spitzenemission der Lichtquelle 1 eine deutlich erkenn
bare Stufe auf. Die maximale Ansprechbarkeit der beiden
Lichtdetektoren 7 und 8 wird durch die beiden Pfeile
längs der Abszisse dargestellt. Diese beiden Maximal
empfindlichkeiten sind im Abstand beidseits der Emissions
spitze der Lichtquelle 1 und der Durchlaßänderung des
Filters 20 angeordnet.
Die Filteranordnung 20 ist kreisförmig ausgebildet,
wie dies die Fig. 3 zeigt. Sie kann jedoch auch eine
andere Form aufweisen. Sie besteht aus einer Glasplatte
21 oder einem anderen transparenten Substrat, die auf
einer Hälfte eine Filterbeschichtung 23 aufweist. Die
andere Hälfte der Platte 21 ist bevorzugt neutral trans
parent. Lediglich der beschichtete Teil 23 weist die
in Fig. 2 gezeigte Durchlaßcharakteristik auf. Die Filter
anordnung 20 ist quer zum Lichtstrahl verschiebbar, und
zwar zwischen den Grenzstellungen, die in den Fig. 3a
und 3b gezeigt sind. Dies bedeutet, daß die Trennlinie
24 zwischen den beiden Hälften entweder am einen Rand
oder am anderen Rand des Lichtstrahles 30 verläuft,
der in den Fig. 3, 3a und 3b jeweils gestrichelt darge
stellt ist. Im einen Extremfall, der in der Fig. 3a
gezeigt ist, verläuft der Lichtstrahl zur Gänze durch
den transparenten Teil des Filters 20, während beim
anderen Extremfall, gezeigt in Fig. 3b, der Lichtstrahl
zur Gänze durch denjenigen Teil 23 verläuft, der mit
dem Filtermaterial beschichtet ist. Bei Stellungen zwischen
diesen beiden Extremfällen sind unterschiedliche Anteile
des Lichtstrahles gefiltert und ungefiltert.
Nachfolgend werden die in den Fig. 2 und 4 gezeigten
Kurven erläutert. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist,
tritt bei der Strahlungsintensität, die den Detektor
7 bei einer Verschiebung der Filteranordnung 20 erreicht,
nur eine geringe Änderung der Dämpfung auf, da die Maxi
malansprechbarkeit des Detektors 7 in dem hohen Durchlaß
bereich des Filters liegt. Da jedoch die Maximalansprech
barkeit des anderen Detektors 8 im geringen Durchlaß
bereich des Filters liegt, verändert sich die den Detektor
8 erreichende Strahlungsintensität in einem weit größeren
Maß entsprechend dem Anteil des Lichtstrahles, der durch
den Filterbereich 23 der Filteranordnung 20 hindurchgeht.
Die Fig. 4 zeigt die Differenz der Strahlungsintensität,
die bei den beiden verschiedenen Wellenlängen Lambdasie
ben und Lambdaacht für verschiedene Stellungen der Filter
anordnung erhalten wird. Die Ausgangssignale der beiden
Detektoren 7 und 8 sind daher im wesentlichen identisch,
wenn die Filteranordnung relativ zum Lichtstrahl eine
Stellung gem. Fig. 3a einnimmt, ist jedoch stark unter
schiedlich, wenn die Stellung nach Fig. 3b eingenommen
wird. Die Komparatoreinheit 9 spricht auf das Verhältnis
der Ausgangssignale der beiden Detektoren 7 und 8 an
und erzeugt nach entsprechender Kalibrierung ein Ausgangs
signal für die Anzeigevorrichtung 10, die repräsentativ
ist für die Lage der Filteranordnung 20 relativ zum
Strahl 30.
Bei der Lichtquelle 1 handelt es sich um eine lichtemittieren
de Diode, die bevorzugt mit einem geringen Strom bestromt
wird, so daß auftretende Stromänderungen die Wellenlängen
eigenschaft des ausgesandten Lichts nur gering verändern.
Es wird nur eine Lichtquelle benötigt, im Gegensatz
zu bekannten Wandlern, bei denen Fehler infolge differen
tieller Veränderungen des Strahlenausgangs der beiden
Lichtquellen auftreten.
Da bei der vorliegenden Vorrichtung die Lagenmessung
abhängig ist von den Relativintensitäten der Strahlung
bei verschiedenen Wellenlängen, beeinflussen Änderungen
bei der Stromzufuhr zur Lichtquelle, Änderungen im Be
trieb der Lichtquelle oder Änderungen bei der Übertragung
durch die faseroptischen Leitungen die Intensität bei
beiden Wellenlängen um im wesentlichen jeweils gleiche
Anteile, so daß das Verhältnis der beiden Intensitäten
nur wenig beeinflußt ist. Dies ist im Gegensatz zu
bekannten Vorrichtungen, bei denen ein graduiertes
neutrales Dämpfungsfilter verschoben wird, wobei bei
Auftreten der vorgenannten Veränderungen Amplituden
veränderungen auftreten, die das Meßergebnis verfälschen.
Bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen in einer
Extremlage die Intensität des Ausgangssignals am Detektor
gleich Null ist, ist es nicht möglich festzustellen,
ob diese Extremlage oder ein Ausfall der Lichtquelle
vorhanden ist. Im vorliegenden Fall jedoch tritt der
Vorteil auf, daß die vom einen Detektor 7 empfangene
Strahlungsintensität nur sehr gering von der Stellung
des Filters 20 abhängig ist, so daß am Ausgang dieses
Detektors stets ein hohes Signal auftritt, wenn die
Lichtquelle in Betrieb ist. Daher ist es möglich, den
Ausfall der Lichtquelle durch Überwachung des Ausgangs
dieses Detektors 7 zu überwachen und eine Ausfallanzeige
bei der Anzeigevorrichtung 10 zu bewirken, wenn das
Ausgangssignal beim Detektor 7 unter einen bestimmten
Schwellwert abfällt.
Der Wandler ermöglicht es, die Stellung oder Verschiebung
eines Objekts direkt zu messen, indem das Objekt mit
dem Filter 20 direkt oder über ein Getriebe oder Gelenk
verbunden ist. Alternativ dazu kann der Wandler auch
andere Variablen messen. Beispielsweise ist es möglich,
Druckmessungen vorzunehmen, indem das Filter mit einem
Bourdon-Rohr oder einem Druckdiaphragma verbunden wird.
Temperaturmessungen sind möglich, indem man das Filter
mit einem auf Temperatur ansprechenden Bauteil wie
beispielsweise mit einem Bimetallstreifen verbindet.
Die Filtervorrichtung 20 kann auch die weiteren Formen
gem. den Fig. 5 und 6 aufweisen. In Fig. 5 verläuft die
Grenze 124 zwischen dem beschichteten Bereich 123 und
dem unbeschichteten Bereich des Filters 120 in einer
geraden Linie, die gegenüber der Achse der Verschiebe
richtung des Filters geneigt verläuft. Dies ermöglicht
einen größeren Weg des Filters 120 zwischen seinen beiden
Extremstellungen. Die Grenze zwischen dem beschichteten
und dem unbeschichteten Bereich kann auch einen anderen
Verlauf aufweisen, beispielsweise gestuft oder gekrümmt,
um die gewünschte Ausgangsrelation zu erhalten. Die Fig.
6 zeigt ein drehbares Filter 220, dessen Drehachse exzen
trisch zum Lichtstrahl und außerhalb dieses Lichtstrahls
verläuft, wobei der Lichtstrahl entsprechend dem Drehwinkel
bedämpft wird.
Es ist nicht notwendig, zum Erfassen der Strahlung bei
beiden Wellenlängen zwei getrennte Detektoren zu verwenden.
Es ist beispielsweise möglich, einen einzigen Detektor
zu verwenden, der aus zwei aufeinander angeordneten Foto
dioden besteht. Die obere Fotodiode weist eine Maximal
empfindlichkeit bei der einen Wellenlänge auf und läßt
die Strahlung bei der anderen Wellenlänge auf die darunter
liegende Fotodiode durch, die eine Maximalempfindlichkeit
bei dieser anderen Wellenlänge aufweist.
Das Ausgangssignal des Komparators 9 kann auch anderen
Steuermitteln außer einer Anzeigevorrichtung zugeführt
werden. Wird beispielsweise das Filter in Abhängigkeit
der Temperatur verschoben, dann kann das Ausgangssignal
einer Temperatursteuereinheit zugeführt werden.
Claims (10)
1. Optischer Lagemeßwandler mit einer Strahlungsquelle,
die Strahlung in einem ersten Wellenlängenband emittiert,
mindestens einem optischen Detektor und einem im
Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem
Detektor angeordneten Filter, dessen Lage im Strahlen
gang entsprechend der zu messenden Lage veränderbar
ist, dadurch gekennzeichnet, daß das
Filter (20) eine über einen ersten Teil (23) der
Filterebene sich erstreckende, im wesentlichen konstante
Durchlaßcharakteristik aufweist, die jedoch von der
Wellenlänge der Strahlung abhängig ist, wobei in
einem ersten Wellenlängenbereich eine gute Strahlendurch
lässigkeit und in einem zweiten Wellenlängenbereich
eine schlechte Strahlendurchlässigkeit herrscht und
der Übergang zwischen den beiden unterschiedlichen
Strahlendurchlässigkeiten im Bereich des ersten Wellen
längenbands liegt, zwei Detektoren (7, 8) vorgesehen
sind, bei denen der eine Detektor (7) eine hohe An
sprechempfindlichkeit im ersten Wellenlängenbereich
und der andere Detektor (8) eine hohe Ansprechempfind
lichkeit im zweiten Wellenlängenbereich aufweist
und die Ausgänge der Detektoren (7, 8) einem Komparator
(9) zugeführt werden.
2. Optischer Lagemeßwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Übergang vom
ersten zum zweiten Wellenlängenbereich etwa in der
Mitte des ersten Wellenlängenbands liegt und die
hohen Ansprechempfindlichkeiten bei Wellenlängen an
jeweils einer Seite von der Mitte des ersten Wellen
längenbands vorhanden sind.
3. Optischer Lagemeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß an den ersten Teil
(23) der Filterebene sich ein zweiter Teil (21) an
schließt, der eine über das erste Wellenlängenband
konstante, von der Wellenlänge unabhängige Durchlaß
charakteristik aufweist und die Grenze (24) zwischen
den beiden Teilen (21, 23) quer zum Strahlengang
(30) bewegbar ist.
4. Optischer Lagemeßwandler nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Grenze (24)
geradlinig verläuft.
5. Optischer Lagemeßwandler nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wellenlängen, bei denen die beiden Detektoren
(7, 8) hohe Ansprechempfindlichkeiten aufweisen,
im gleichen Abstand von der Mitte des ersten Wellen
längenbands verlaufen.
6. Optischer Lagemeßwandler nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste faseroptische Leitung (2) die Strahlung
von der Strahlungsquelle (1) dem Filter (20) und
eine zweite faseroptische Leitung (5) die Strahlung
vom Filter (20) den Detektoren (7, 8) zuführt.
7. Optischer Lagemeßwandler nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite faser
optische Leitung (5) im Bereich der beiden Detektoren
(7, 8) zweigeteilt ist und jeweils ein Ende der Leitung
zu einem der Detektoren (7, 8) führt.
8. Optischer Lagemeßwandler nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Anzeigevorrichtung (10) vorgesehen ist, die
ein Ausfallsignal erzeugt, wenn das Ausgangssignal
des einen Detektors (7) unter einen Schwellwert ab
fällt.
9. Optischer Lagemeßwandler nach einem der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlungsquelle (1) aus einem einzigen Strahler
besteht.
10. Optischer Lagemeßwandler nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle
(1) aus einer lichtemittierenden Diode besteht, die
mit einem Strom unterhalb ihres Nennstroms betrieben
wird.
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