DE3640519A1 - Optischer lagemesswandler - Google Patents

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.