DE3708145A1 - Optischer stellungsmesswandler - Google Patents
Optischer stellungsmesswandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Stellungsmeßwand
ler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Optische Stellungsmeßwandler weisen eine Lichtquelle und
einen Empfänger auf, der üblicherweise am Ende eines Licht
leitkabels angeordnet ist, wobei entsprechend der zu er
fassenden bzw. zu messenden Stellung die beim Empfänger
einfallende Strahlung verändert wird. Der Strahlungsein
fall kann beispielsweise durch Verwendung einer beweg
baren Maske verändert werden, die eine Lichtdurchtritts
öffnung veränderbarer Größe aufweist. Es ist auch möglich,
ein Strahlungsfilter zu verwenden, das über seine Filter
ebene hinweg die Strahlung unterschiedlich stark dämpft
und das zusammen mit demjenigen Teil, dessen Stellung zu
messen ist, bewegt wird. Diese Meßwandler arbeiten zu
friedenstellend, vorausgesetzt, daß die Strahlenintensi
tät der beim Empfänger einfallenden Strahlung sich nicht
aus sonstigen Gründen verändert. Wird die Strahlung der
von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung aus irgend
welchen Gründen verändert, dann führt dies zu einer Fehl
messung der zu erfassenden Stellung. Solche Änderungen
können beispielsweise durch Schwankungen in der Stromver
sorgung der Lichtquelle auftreten.
Der Effekt dieser Veränderungen in der Lichtintensität
können vermindert werden, indem der Spektralinhalt der
Strahlung entsprechend der zu erfassenden Stellung modu
liert wird. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß es schwie
rig ist, ein Ausgangssignal zu erhalten, das linear mit
der zu erfassenden Stellung verläuft, da bei den Vorrich
tungen die Spektralverteilung nicht linear ist und die
Dekoder zum Messen der Spektralverteilung kein lineares
Ansprechverhalten aufweisen.
Bei einem anderen Wandler wird das Licht in seine Spektral
komponenten aufgeteilt und eine kodierte Maske wird inner
halb des Spektrums bewegt, um zu ermöglichen, daß verschie
dene Teile des Spektrums entsprechend der Stellung der
Maske hindurchgelassen werden. Die durch die Maske hin
durchgehende Strahlung wird am Ende eines Lichtleitkabels
fokussiert und am anderen Ende des Kabels wieder aufgeteilt.
Durch Messung der Strahlenintensität an verschiedenen Tei
len des Spektrums ist es möglich, die Stellung der Maske
zu bestimmen. Das Problem, das bei einem derartigen Wand
ler auftritt, besteht darin, daß es schwierig ist sicher
zustellen, daß die gesamte durch die Maske hindurchgehende
Strahlung am einen Ende des Lichtleitkabels fokussiert wird.
Der Grund liegt darin, daß das gebildete Bild über die Bild
ebene hinweg gespreizt wird infolge der Aufteilung des
Spektrums, das an der Maske abgebildet wird. Ein weiteres
Problem kann darin bestehen, daß in einigen Anwendungs
fällen eine transparente Maske nicht verwendet werden kann,
wo ein Zugang zu beiden Seiten der Maske erforderlich ist.
Es besteht die Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk
malen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
den Unteransprüchen entnehmbar.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des
optischen Stellungswandlers;
Fig. 2 eine Seitenansicht des optischen
Kopfes des Wandlers;
Fig. 3 eine Draufsicht des beim Wandler
verwendeten drehbaren Kodierers;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere
Ausführungsform eines Kodierers und
Fig. 4A bis 4C Ausgangssignale, die bei verschie
denen Stellungen des Kodierers nach
Fig. 4 auftreten.
Gemäß Fig. 1 weist der optische Stellungswandler eine
Strahlenquelle 1 auf, die ein Strahlenspektrum λ 1 bis λ 2
erzeugt und beispielsweise einer lichtimitierenden Diode
oder einer Wolframlampe besteht, die durch eine Strom
quelle 21 erzeugt wird. Die Strahlung der Lichtquelle 1
wird über ein Lichtleitkabel 2 einem optischen Kopf 3 zu
geführt, der nachfolgend noch im einzelnen beschrieben
werden wird. Der optische Kopf 3 teilt die Strahlung in
ihr Spektrum auf, das auf eine Kodierscheibe 4 gerichtet
wird, die sich entsprechend den Änderungen einer Eingangs
veränderlichen um die Achse 5 dreht. Diese Eingangsver
änderliche kann beispielsweise abgeleitet werden von einem
Druck- oder Temperatursensor, der die Eingangswelle 6
der Kodierscheibe 4 dreht.
Die Kodierscheibe 4 reflektiert verschiedene Anteile
des Spektrums zurück zum optischen Kopf 3 entsprechend
der Stellung dieser Kodierscheibe. Die reflektierte
Strahlung wird im optischen Kopf 3 zusammengefaßt und
einem Ende eines Lichtleitkabels 7 zugeführt. Die Lichtleit
kabel 2, 7 weisen bevorzugt nur eine Phase auf. Das rück
führende Kabel 7 ist an seinem anderen Ende verbunden
mit einem Dekodierer 8, der die zurückgeleitete Strahlung
in ihre Frequenzkomponenten aufteilt. Die Aufteilung in
die verschiedenen Wellenlängen im Dekoder 8 kann durch
einen Gitterumformer oder ein Prisma erfolgen. Das vom
Dekoder gebildete Spektrum wird auf eine lineare Anord
nung 9 von Photodioden fokussiert, die den Leitungen 10
Ausgangssignale zuführen, welche repräsentativ sind für
die Strahlungsintensität an verschiedenen Stellen des
Spektrums. Da üblicherweise nur eine Photodiode verwen
det und angestrahlt wird, sondern das Licht über mehrere
Photodioden gespreizt wird, wird ein Signalprozessor 11
verwendet, der die Beleuchtungsspitzen identifiziert.
Das Ausgangssignal vom Signalprozessor 11 wird einer An
zeigevorrichtung 12 zugeführt, die eine Anzeige der Stel
lung der Kodierscheibe 4 wiedergibt, wobei die Eintei
lung direkt die zu messende Eingangsveränderliche, wie
beispielsweise den Druck oder die Temperatur anzeigt.
Alternativ dazu kann das Ausgangssignal des Prozessors
11 dazu verwendet werden, Steueraufgaben durchzuführen.
Falls weißes Licht ausreichender Intensität verwendet
wird, kann ein Anteil des modifizierten Lichts abgespal
ten und dazu verwendet werden, einen Punkt an einer
Steuertafel zu erleuchten. Hierdurch ist eine einfache
und direkte Anzeige des Zustands der Veränderlichen mög
lich. Da am Ende des sichtbaren Spektrums die Farbe rot
herrscht, kann diese Farbe auf diese Weise einen gefähr
lich hohen Druck anzeigen, während die Farbe grün einen
erlaubten Druck wiedergibt.
Der optische Kopf 3 wird nachfolgend anhand der Fig. 2
näher beschrieben. Der optische Kopf 3 besteht aus einem
Glasblock, der aus verschiedenen Glaselementen zusammen
gefügt ist. Anstelle von Glas kann auch ein anderes op
tisch transparentes Material verwendet werden. Der Haupt
teil des Kopfes 3 besteht aus einem im wesentlichen recht
eckigen Kollimatorblock 31 mit einer sphärisch konvergie
renden Oberfläche 32, auf welcher eine reflektierende
Beschichtung 33 angebracht ist. Die gegenüberliegende
Fläche 34 des Kollimatorblocks 31 ist eben und trägt die
anderen Komponenten des optischen Kopfes. Diese umfassen
zwei prismatische Elemente 35 und 36, die mit dem oberen
Ende der ebenen Fläche 34 verbunden sind und über die die
Strahlung in den Kopf bzw. aus dem Kopf tritt. Das Ein
gangselement 35 weist eine ebene Oberfläche 37 auf, die
an der ebenen Fläche 34 des Kollimatorblocks anliegt und
eine geneigte untere Oberfläche 38, welche die Eingangs
strahlung in dem Kollimatorblock 31 reflektiert und die
es ermöglicht, daß die aus dem Kollimatorblock austreten
de Strahlung zum Ausgangselement 36 hin hindurchgeht.
Das Ausgangselement 36 weist die Form eines Parallelo
gramms auf, bei dem eine Fläche 39 an der geneigten Flä
che 38 des Eingangselements 35 anliegt. Die gegenüberlie
gende Fläche 40 ist mit reflektierendem Material beschich
tet und reflektiert die Strahlung in Richtung auf das Licht
leitkabel 7.
Unterhalb der Ein- und Ausgangselemente 35 und 36 ist
auf der ebenen Fläche 34 ein Diffraktionselement 41 an
geordnet. Das Diffraktionselement 41 ist ein Glasblock
mit einer ebenen vorderen Fläche 42, welche gegen den
Kollimatorblock 31 anliegt, und mit einer geneigten
hinteren Fläche 43, die mit einem reflektierenden Dif
fraktionsgitter 44 beschichtet ist.
Am unteren Ende der ebenen Fläche 34 des Kollimatorblocks
31 ist ein Prismenelement 45 mit einer geneigten hin
teren Fläche 46 befestigt, die mit einer reflektierenden
Schicht beschichtet ist, welche die vom Kollimatorblock
31 austretende Strahlung nach unten auf die Kodierschei
be 44 reflektiert. Die von der Kodierscheibe 4 reflek
tierte Strahlung wird sodann von dieser rückwärtigen
Seite 46 zurück in den Kollimatorblock 31 reflektiert.
Verfolgt man den Strahlengang durch den optischen Kopf 3,
dann ergibt sich, daß von der optischen Leitung 2 die
Strahlung nach unten in den Kopf eintritt und hierbei
divergiert. Die eintretende Strahlung wird von der Flä
che 38 des Eingangselements 35 nach rechts horizontal
in Richtung der reflektierenden Kollimatoroberfläche 32
reflektiert. Die Krümmung dieser Kollimatoroberfläche
32 ist derart, daß ein paralleler reflektierter Licht
strahl entsteht, der durch den Block 31 nach links in
Richtung auf das Diffraktionsgitter 44 verläuft. Das
Gitter 44 teilt die einfallende Strahlung in ihre Spek
trumskomponenten auf und erzeugt einen reflektierten
Strahl, der zwischen den ausgezogenen und gestrichelt
dargestellten Linien aufgespreizt ist. Die in ihr Spek
trum aufgeteilte Strahlung verläuft zurück auf die Kol
limatoroberfläche 32, wo die einfallende Strahlung kon
vergiert und nach links zum Prismenelement 45 geleitet
wird. Von der hinteren Fläche 46 des Prismas 45 wird die
Strahlung nach unten reflektiert und auf der Oberfläche
der Kodierscheibe 4 fokussiert. Die Strahlung wird auf
diese Weise in ihre einzelnen Wellenlängen zerlegt, wo
bei ein Strahlenspektrum 60 entsteht, das radial zur
Scheibe 4 verläuft.
Die von der Kodierscheibe 4 reflektierte Strahlung wan
dert den gleichen Weg durch den optischen Kopf 3 zurück
zum Diffraktionsgitter 44. Die von der Kodierscheibe 4
auf das Diffraktionsgitter 44 reflektierte Strahlung wird
unter einem Winkel abgelenkt, der von der Wellenlänge der
Strahlung abhängig ist. Nach Reflektion an der Oberfläche
32 trifft die Strahlung auf die geneigte Oberfläche 38
des Eingangsblocks 35 auf. Die rückseitige Fläche 38 des
Eingangsblocks 35 und die vordere Fläche 39 des Ausgangs
blocks 36 bilden zusammen eine strahlspaltende Oberfläche,
so daß ein Teil der von der Kodierscheibe 4 reflektier
ten Strahlung durch die Flächen 38 und 39 hindurch auf
die reflektierende Fläche 40 gelangt, wo sie in Richtung
auf das Lichtleitkabel 7 reflektiert wird. Das Gitter 44
stellt hierbei sicher, daß die gesamte von der Kodier
scheibe 4 reflektierte Strahlung an einem Punkt am Ende
des optischen Kabels 7 abgebildet bzw. vereinigt wird.
Hieraus ergibt sich, daß bei Verwendung des vorbeschrie
benen optischen Kopfes 3 die Strahlung entsprechend den
Wellenlängen, aus denen sie zusammengesetzt ist, aufge
teilt wird, bevor diese Strahlung auf die Kodierscheibe
4 gelangt. Die auf diese Weise in ihre Wellenlängen auf
geteilte Strahlung wird von dort durch die reflektierenden
Spuren der Kodierscheibe reflektiert und durch das Gitter
44 zu einem gemeinsamen Strahl zusammengeführt. Auf diese
Weise wird das Licht vom Ende des Lichtleiters 2, der
einen sehr kleinen Durchmesser aufweist, zu einem breiten
Spektrum 60 auf der Kodierscheibe 4 aufgespreizt und die
reflektierende Strahlung zu einem gemeinsamen Punkt fokus
siert und zwar am einen Ende des Lichtleitkabels 7, das
ebenfalls einen sehr kleinen Durchmesser aufweist. Das auf
das eine Ende des Lichtleitkabels fokussierte Bild weist
somit die gleiche Größe auf wie dasjenige am Ende des
Lichtleitkabels 2, wodurch sich ein maximaler Wirkungs
grad ergibt, wenn die beiden Lichtleitkabel 2, 7 den glei
chen Durchmesser aufweisen.
Durch Verwendung eines reflektierenden Kodierers ist es
möglich, den gleichen optischen Kopf zum Zerlegen und zum
Zusammenführen des Lichts zu verwenden, wodurch vermieden
wird, daß ein separater Kombinierer verwendet werden muß,
der zusätzliche Kosten und Raum beansprucht. Durch Verwen
dung eines reflektierenden Kodierers ist es auch nicht not
wendig, daß Zugang hinter dem Kodierer geschaffen werden
muß. Hierdurch ist es möglich, die Kodierung auf einem
opaken Bauteil anzuordnen.
Da die Kollimatoroberfläche 32, das Gitter 44 und die re
flektierenden Oberflächen 38, 45 und 40 alle an einem so
liden Block angeordnet sind, besteht nicht die Gefahr von
Relativbewegungen zwischen diesen Oberflächen beispiels
weise infolge von Vibrationen.
Es ist möglich, den gleichen Lichtleiter zum Zuführen und
Abführen der Strahlung zu verwenden. Falls jedoch im Licht
leiter Verbindungsstücke verwendet werden, besteht die
Gefahr, daß an den Verbindungsstücken Reflektionen auf
treten, und es besteht weiterhin die Gefahr, daß ein Teil
der Eingangsstrahlung direkt dem Dekodierer zugeführt
wird, wo es dann schwierig ist, diese Strahlung von der
reflektierten Strahlung zu unterscheiden.
Eine Ausführungsform einer Kodierscheibe 4 zeigt die
Fig. 3. Diese weist einen nicht reflektierenden Hinter
grund 50 und reflektierende Markierungen in Form von Spu
ren 41 und 42 auf. Die äußere Spur 41 ist kreisförmig
und zentrisch zur Achse 5 der Scheibe angeordnet. Die
innere Spur 42 weist Spiralform auf, so daß der Abstand
zwischen den Spuren 41 und 42 um die Scheibe 4 herum sich
verändert. Das auf der Scheibe 4 abgebildete Spektrum ist
der Bereich 40, der sich radial über die beiden Spuren
hinweg erstreckt. Dreht sich die Scheibe, dann werden
unterschiedliche Teile des Spektrums von der Spiralspur
42 zurück zum optischen Kopf 3 reflektiert. Die kreisför
mige Spur 41 reflektiert stets den gleichen Teil des Spek
trums zurück, wodurch überprüfbar ist, daß die Spur konzen
trisch verläuft. Wird jedoch der Abstand zwischen den bei
den Spuren gemessen, dann ist der Wandler unempfindlich
gegenüber Exzentrizitäten bei der Kodierscheibe.
Alternativ dazu ist es möglich, eine Kodierscheibe zu ver
wenden, die eine digitale Kodierung aufweist, wie beispiels
weise einen Gray-Code.
Es ist nicht notwendig, daß der Kodierer die Form einer
sich drehenden Scheibe aufweist. Es ist auch möglich, daß
er aus einer Platte besteht, welche sich linear bewegt.
Eine Form einer solchen Platte 70 ist in Fig. 4 gezeigt,
wobei diese Platte in Bewegungsrichtung zwei reflektie
rende Spuren 71 und 72 aufweist. Die Spuren 71 und 72
sind gegeneinander geneigt, so daß ihr Abstand in Ver
schieberichtung sich verändert. Das auf der Platte abge
bildete Spektrum ist wiederum mit 60 bezeichnet.
Bei dieser Plattenform ist es möglich, sowohl Bewegungen
in Längsrichtung als auch quer dazu zu messen. Die Fig.
4A zeigt die Ausgangssignale der Photodiodenanordnung 9
für die Platte 70 in einer Stellung in bezug auf das ab
gebildete Spektrum 60 wie in Fig. 4 gezeigt. Wird die
Platte 70 nach links bewegt, dann wird der Abstand zwi
schen den Spuren 71 und 72, die sich unter dem abgebil
deten Spektrum 60 befinden geringer, so daß die Signale
enger beeinanderliegen, wie dies die Fig. 4B zeigt. Wird
die Platte 70 quer dazu verschoben, dann bleibt wohl der
Abstand zwischen den Signalen unverändert, jedoch ändert
sich ihre Absolutstellung, wie dies die Fig. 4C zeigt.
Durch Erfassen des Abstands zwischen den Signalen ist es
möglich, die Stellung der Platte 70 in Längsrichtung zu
erfassen. Wird zusätzlich die Absolutstellung der Signale
erfaßt, ist es auch möglich, Stellungen der Platte 70 in
Querrichtung zu erfassen.
Claims (10)
1. Optischer Stellungswandler mit einer optischen Strah
lungsquelle, die eine Strahlung mit einem breiten
Frequenzband erzeugt, die durch einen optischen Kopf
in ihre Spektrumskomponenten zerteilt wird, die auf
einem bewegbaren Teil abgebildet werden, dessen Stel
lung zu erfassen ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß das bewegbare Teil (4, 70)
mit reflektierenden Markierungen (41, 42, 71, 72) kodiert
ist, die nach Stellung des Teils (4, 70) unterschied
liche Spektrumskomponenten zurück zum optischen Kopf
(3) reflektieren, der optische Kopf (3) die reflektier
te Strahlung entsprechend ihren Wellenlängen in Rich
tung auf das Ende eines Lichtleiters (7) ablenkt und
dort abbildet, der die reflektierte Strahlung einem
Detektor (8, 9, 11) zuführt, der auf Strahlung unter
schiedlicher Wellenlängen anspricht und Ausgangssig
nale entsprechend der empfangenen Wellenlängen erzeugt.
2. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Kopf
(3) ein Diffraktionselement (44) aufweist, das die Ein
gangsstrahlung in ihre Spektrumskomponenten zerteilt
und das die von den Markierungen (41, 42, 71, 72) reflek
tierte Strahlung in den Lichtleiter (7) ablenkt.
3. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Diffraktions
element ein Diffraktionsgitter (44) ist.
4. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der
optische Kopf (3) eine konvergierende, reflektierende
Oberfläche (32) aufweist, diese Oberfläche (32) die
einfallende Strahlung parallel richtet und auf das
Diffraktionselement (44) reflektiert und die von den
Markierungen (41, 42, 71, 72) reflektierte Strahlung auf
das Ende des Lichtleiters (7) fokussiert.
5. Optischer Stellungswandler nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Lichtleiter (2) vorgesehen ist, der die Strah
lung der Strahlungsquelle (1) dem optischen Kopf (3)
zuführt und ein zweiter Lichtleiter (7) vorgesehen
ist, der die reflektierte Strahlung vom optischen
Kopf (3) dem Detektor (8, 9, 11) zuführt.
6. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Licht
leiter (2) aus einer einzigen Faser besteht.
7. Optischer Stellungswandler nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Kopf (3) aus einem soliden Block
(31) eines optisch transparenten Materials besteht.
8. Optischer Stellungswandler nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das bewegbare Teil ein analoger Kodierer (4, 70)
ist, der Kodierer (4, 70) zwei reflektierende Spuren
(41, 42, 71, 72) aufweist, deren Abstand sich in Bewe
gungsrichtung verändert und der Detektor (8, 9, 11) auf
den Abstand der reflektierten Spektrumskomponenten
anspricht.
9. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das bewegbare
Teil (70) in zwei zueinander rechtwinklig verlaufen
den Richtungen bewegbar ist, und der Detektor (8, 9, 11)
sowohl auf den Abstand der reflektierten Spektrums
komponenten als auch deren Absolutstellung anspricht.
10. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das bewegbare
Teil eine drehbare Scheibe (4) ist, das eine erste
zur Drehachse (5) konzentrische Spur (41) und eine
zweite spiralförmig verlaufende Spur (42) aufweist.
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