DE3710041C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungs­ losen opto-elektronischen Abstandsmessung einer licht­ reflektierenden Fläche eines Meßkörpers, mit einer in ihrer Intensität hochfrequent modulierten Lichtquelle, deren Licht ein dem Meßkörper zugeordnetes optisches Meßsystem und ein optisches Referenzsystem mit einem Referenzspiegel beaufschlagt, mit einem das reflektierte Licht des Meßsystems empfangenden Meßlichtdetektor und einem das reflektierte Licht des Referenzsystems empfangenden Referenzlichtdetektor, die eine Meßein­ richtung speisen, deren Ausgangssignal ein Maß für die zu erfassenden Abstände ist.

Bei einer derartigen aus der DE 36 08 075 A1 bekannten Vorrichtung erfolgt eine Abstandsmessung mit Hilfe eines optischen Interferometers, wobei sowohl die Lichtwege des Referenzsystems als auch die des Meß­ systems frei durch die Umgebungsluft zwischen den verschiedenen optischen Komponenten, insbesondere Linsen, Strahlteiler und Reflektoren verlaufen. Die zu vermessende Entfernung erstreckt sich zwischen einem Strahlteiler und einem reflektierenden Objekt, weshalb es im Hinblick auf die Art der Lichtausbreitung erfor­ derlich ist, die bekannte Vorrichtung in der Nähe des reflektierenden Objektes vorzusehen.

Bei einem aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 30 789 bekannten Verfahren zur Messung des Füllstan­ des in Behältern ist es bekannt, einzelne Lichtleit­ fasern im Sende-, Empfangs- und Referenzkanal sowie eine Lichtweiche als optisches Koppelelement einzu­ setzen. Bei den Lichtleitfasern, die bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden, handelt es sich um Monomodefasern oder um Fasern, bei denen die Lichtgeschwindigkeit in Lichtleiterachsenrichtung weitgehend unabhängig vom Einkopplungswinkel ist. Hieraus ergibt sich, daß die Lichtausbeute klein ist, was zu einem geringen Signal- Rausch-Verhältnis führt. Weitere Lichtverluste ergeben sich durch die Lichtweiche, die das über einen einzelnen Lichtleiter ankommende Licht mit Verlusten auf mehrere Lichtleiter aufteilt und bei der auch das zurückkommende reflektierte Licht nicht verlustfrei übertragen wird.

Ähnliche Verluste ergeben sich auch bei den Faserkopp­ lern, die bei der Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß der DE 35 40 157 A1 verwendet werden. Wegen der unvermeidbaren Rückreflexions- bzw. Rückstreueffekte in Faserkopplern ergibt sich ein hoher Übersprechpegel zwischen dem Meß- und Referenzkanal, was ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis sowie große Phasenfehler und eine schlechte Linearität der Meßkennlinie zur Folge hat. Außerdem ergeben sich bei der Verwendung von Einzelfasern kritische mechanische Justierungen zur Einkopplung des reflektierten Lichtes in die Meßfaser. Ungenaue Justierungen führen dann zu weiteren Intensi­ tätsverlusten, die sich ebenfalls auf das Signal- Rausch-Verhältnis nachteilig auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Ersetzen von optischen Freistrahlen durch in opti­ schen Fasern geführte Strahlen ohne Rückreflexions- und Rückstreueffekte an einzelnen Faserkopplern erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle an ein erstes Faserbündel einer Faser­ bündelweiche angekoppelt ist, das sich in der Faserbündelweiche verzweigende optische Fasern einer ersten und einer zweiten Fasergruppe aufweist, wobei die Fasern der ersten Fasergruppe mit den Fasern einer dritten Fasergruppe ein von der Faserbündelweiche ausgehendes zweites Faserbündel und die Fasern der zweiten Fasergruppe mit den Fasern einer vierten Faser­ gruppe ein drittes Faserbündel bilden und die Faser­ enden der ersten und dritten Fasergruppe in dem zu messenden Abstand vor der lichtreflektierenden Fläche des Meßkörpers enden, so daß das reflektierte Licht durch die dritte Fasergruppe über die Faserbündel­ weiche, durch die die Fasern der dritten Fasergruppe auf der von dem Meßkörper wegweisenden Seite als vier­ tes Faserbündel zusammengefaßt sind, den Meßlicht­ detektor speist, und daß die Faserenden der Fasern der zweiten Fasergruppe den vor ihnen angeordneten Refe­ renzspiegel anstrahlen, wobei das reflektierte Licht über die Fasern der vierten Fasergruppe, die in der Faserbündelweiche auf der dem dritten Faserbündel gegenüberliegenden Seite als fünftes Faserbündel ab­ zweigen, zu dem Referenzlichtdetektor gelangt.

Durch die Verwendung der Faserbündelweiche mit den angegebenen Merkmalen werden für die Hin- und Rückwege des Lichtes zwischen der Lichtquelle und den Licht­ detektoren rückgestreute bzw. reflektierte Lichtanteile mit falscher Phasenlage vermieden, so daß sich einer­ seits ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und anderer­ seits eine große Stabilität bei der Phasenmessung mit einer hohen Auflösung ergibt, ohne daß empfindliche Justierungen durchgeführt werden zu brauchen. Da die Faserbündelstrecken zwischen der Meßstrecke und der die Lichtquelle und die Lichtdetektoren enthaltenden Anord­ nung die gleiche geometrische Länge haben, kompensieren sich temperaturabhängige Änderungen sowie sonstige äußere Störeffekte.

Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel sind die zweiten und dritten Faserbündel gleich lang und von einer gemeinsamen Umhüllung umgeben. Zweckmäßig ist es, wenn die Faserbündelweiche in der Nähe der Lichtquelle und der Lichtdetektoren angeordnet ist. Eine besonders günstige Handhabung ergibt sich, wenn die zweiten und dritten Faserbündel über faseroptische Stecker lösbar mit der Faserbündelweiche verbunden sind. Weitere zweckmäßige Merkmale ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen und werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Zuordnung der Faserbündel und der Faser­ bündelweiche der Vorrichtung in einer ver­ größerten Darstellung und

Fig. 3 die Zuordnung der einzelnen Fasern der Faser­ gruppen zu den Faserbündeln und den Licht­ wegen in der Faserbündelweiche.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur berührungslosen opto-elektronischen Abstandsmessung bildet einen faseroptischen streckenneutralen Wegsensor zur Erfassung des Abstandes zu einem in der Zeichnung nicht dargestellten Meßkörper, auf dem ein Reflektor 1, insbesondere ein Retroreflektor angeordnet ist. Bei dem Meßkörper handelt es sich beispielsweise um einen Positionierschlitten oder einen bewegten Kolben, dessen Lage erfaßt werden soll. Die Länge der Meßstrecke zwischen dem Reflektor 1 und einer Kollimatorlinse 2, die in Fig. 1 durch die Pfeile 3 und 4 veranschaulicht ist, hat bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungs­ beispiel einen Eindeutigkeitsbereich der Wegmessung von etwa 0,9 m.

Das aus der Kollimatorlinse 2 austretende Licht stammt von einer Lichtquelle 5, beispielsweise einer licht­ emittierenden Diode (LED), die mit Hilfe eines quarz­ stabilisierten Treiberoszillators 6 mit einer Modu­ lationsfrequenz von 160 MHz gespeist ist und daher amplitudenmoduliertes bzw. intensitätsmoduliertes Licht aussendet.

Die Lichtquelle 5 ist durch Stoßkopplung mit dem Ende 7 eines ersten Faserbündels 8 gekoppelt, so daß in Rich­ tung des Pfeiles 9 moduliertes Licht zu einer Faser­ bündelweiche 10 übertragen wird, deren Aufbau weiter unten im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 genauer dargestellt ist.

Die Faserbündelweiche 10 gestattet es, das über das erste Faserbündel 8 eingespeiste Licht zu einem zweiten Faserbündel 11 und einem dritten Faserbündel 12 zu übertragen.

Das in das zweite Faserbündel 11 eingespeiste modu­ lierte Licht gelangt zur Kollimatorlinse 2, die das aus dem Faserbündelende 13 austretende divergente Licht kollimiert und als Parallelstrahl auf den Reflektor 1 richtet. Der über das dritte Faserbündel 12 die Faser­ bündelweiche 10 verlassende Teil des modulierten Lich­ tes gelangt zu einem am Faserbündelende 14 angeordneten Referenzspiegel 15, der das ihn beaufschlagende Licht mit fester Referenzphase unmittelbar in das dritte Faserbündel 12 zurückreflektiert, während das auf den beweglichen Reflektor 1 auftreffende Licht mit einer Phase in das zweite Faserbündel 11 zurückreflektiert wird, die eine lineare Funktion der Position des Re­ flektors 1 ist.

Die Doppelpfeile 16 und 17 neben dem zweiten Faser­ bündel 11 und dem dritten Faserbündel 12 veranschau­ lichen, daß in den beiden Faserbündeln 11, 12 Licht in beiden Richtungen transportiert wird, wobei jedoch für jede Richtung unterschiedliche Fasern der Faserbündel 11, 12 verwendet werden, was in Fig. 3 verdeutlicht ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im zweiten Faserbündel 11 und im dritten Faser­ bündel 12 faseroptische Stecker 18, 19 vorgesehen, die es gestatten, die Faserbündel 11, 12 zu lösen und gegebenenfalls durch längere oder kürzere andere Faser­ bündel 11, 12 zu ersetzen. Wenn nach dem Manipulieren der faseroptischen Stecker 18, 19 eine andere Zuordnung der einzelnen Fasern für den Hinweg oder Rückweg des Lichtes zustande kommt, ist dies wegen des insbesondere in Fig. 3 veranschaulichten Aufbaus der Faserbündel­ weiche 10 ohne Bedeutung.

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist die Faserbündelweiche 10 mit einem vierten Faserbündel 20 verbunden, durch das in Richtung des Pfeiles 21 das vom Reflektor 1 reflektierte Licht zu einem Meßlichtdetektor 22 ge­ langt. Entsprechend gelangt das vom Referenzspiegel 15 reflektierte Licht über die Faserbündelweiche 10 und ein mit dieser verbundenes fünftes Faserbündel 23 in Richtung des Pfeils 24 zu einem Referenzlichtdetektor 25.

Der Meßlichtdetektor 22 ist an einen auf die Modula­ tionsfrequenz abgestimmten selektiven Meßsignalver­ stärker 26 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Ein­ gang einer Meßsignalmischstufe 27 verbunden ist. Ent­ sprechend gelangt das vom Referenzlichtdetektor 25 er­ zeugte Referenzsignal über einen selektiven Referenz­ signalverstärker 28 zu einer Referenzsignalmischstufe 29.

Die Meßsignalmischstufe 27 und die Referenzsignalmisch­ stufe 29 sind mit einem gemeinsamen quarzstabilen Hilfsoszillator 30 verbunden, dessen Frequenz bei­ spielsweise 159,55 MHz beträgt, so daß am Ausgang 31 der Meßsignalmischstufe 27 ein Zwischenfrequenzsignal mit einer Frequenz von 450 kHz ansteht, dessen Phase gleich der Phase des vom Meßlichtdetektor 22 gelie­ ferten Meßsignales ist. Entsprechend wird über den Ausgang 32 der Referenzsignalmischstufe 29 ein Zwi­ schenfrequenzsignal zur Verfügung gestellt, dessen Phase gleich der Phase des vom Referenzlichtdetektor 25 erfaßten Referenzsignals ist. Die beiden Zwischenfre­ quenzsignale speisen die beiden Eingänge einer Phasen­ meßeinrichtung 33, die an ihrem Ausgang 34 ein Analog­ signal liefert, welches zur Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Referenzsignal und damit zu der durch die Pfeile 3, 4 veranschaulichten Weglänge pro­ portional ist.

Da die beiden Strecken der Faserbündel 11, 12 die gleiche geometrische Länge haben, kompensieren sich temperaturabhängige Änderungen sowie sonstige dem Referenzarm und dem Meßarm gemeinsame äußere Störeffek­ te, wie z.B. Änderungen der Umgebungstemperatur. Die Messung ist somit nicht nur unabhängig von Intensitäts­ schwankungen der Lichtquelle 5, sondern auch z.B. von Einflüssen durch Biegen der Faserbündel 11, 12 und sonstigen Streckenverlusten.

Als Fasern für die Faserbündel 8, 11, 12, 20, 23 werden Stufenindexfasern oder Gradientenindexfasern verwendet, die einen Durchmesser von etwa 30 µm haben.

Die Faserbündel 11, 12 gestatten es, die Meßstrecke sehr weit und insbesondere einige hundert Meter ent­ fernt von der Lichtquelle 5 und den Lichtdetektoren 22, 25 vorzusehen. Der Durchmesser der Faserbündel 8, 11, 12, 20, 23 liegt in der Größenordnung Millimeter, so daß nur geringe Intensitätsverluste auftreten. Zweck­ mäßig ist es, wenn das zweite Faserbündel 11 und das dritte Faserbündel 12 von einer gemeinsamen in Fig. 1 nicht dargestellten Umhüllung umgeben sind.

Um eine günstige Aufteilung des Lichtes der Lichtquelle 5 auf den durch das zweite Faserbündel 11 gebildeten Meßarm und den durch das dritte Faserbündel 12 gebil­ dete Referenzarm zu erreichen, sind die Einzelfasern im ersten Faserbündel 8 statistisch gemischt. Entsprechen­ des gilt für die Einzelfasern im zweiten Faserbündel 11 und im dritten Faserbündel 12.

In Fig. 2 ist die Faserbündelweiche 10 mit den an ihr angeschlossenen Faserbündeln 8, 11, 12, 20 und 23 gesondert dargestellt, um die Lichtwege zu veranschau­ lichen. Außerdem erkennt man in Fig. 2 die an den Enden der Faserbündel 8, 11, 12, 20 und 23 vorgesehenen faseroptischen Stecker 35, 36, 37, 38 und 39.

Wie man in Fig. 2 erkennt, geht das erste Faserbündel 8 in der Faserbündelweiche 10 in das zweite Faserbündel 11 und das dritte Faserbündel 12 über. Das in die Faserbündel 11 und 12 zurückreflektierte Licht wird mit Hilfe der Faserbündelweiche 10 jeweils zum vierten Faserbündel 20 und zum fünften Faserbündel 23 umge­ lenkt.

Die Lichtführung und Lichtumlenkung in der Faserbündel­ weiche 10 erfolgt mit vier Gruppen von Fasern, die zur Verdeutlichung in Fig. 3 jeweils durch eine einzelne repräsentative Faser gesondert dargestellt sind.

Das erste Faserbündel 8 enthält Fasern der ersten Fasergruppe 41, mit deren Hilfe Licht von der Licht­ quelle 5 zur Kollimatorlinse 2 gelangt. Die Fasern der zweiten Fasergruppe 42 leiten Licht der Lichtquelle 5 zum Referenzspiegel 15. Die dritte Fasergruppe 43 überträgt das in die Kollimatorlinse 2 einfallende, vom Meßobjekt herrührende Licht über das zweite Faserbündel 11 zum vierten Faserbündel 20. Die vierte Fasergruppe 44 stellt für das vom Referenzspiegel 15 reflektierte Licht über das dritte Faserbündel 12, die Faserbündel­ weiche 10 und das fünfte Faserbündel 23 einen Lichtweg zum Referenzlichtdetektor 25 her. In Fig. 3 erkennt man deutlich, daß jeweils getrennte Hinwege und Rückwege für das Licht zwischen den Licht empfangenden und Licht aussendenden Teilen vorhanden sind. Deshalb existiert keine Rückstreuung, so daß ein hohes Signal-Rausch-Ver­ hältnis sowie eine hohe Stabilität der faseroptischen Phasenmessung erreicht werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur berührungslosen opto-elektroni­ schen Abstandsmessung einer lichtreflektierenden Fläche eines Meßkörpers, mit einer in ihrer Inten­ sität hochfrequent modulierten Lichtquelle, deren Licht ein dem Meßkörper zugeordnetes optisches Meßsystem und ein optisches Referenzsystem mit einem Referenzspiegel beaufschlagt, mit einem das reflektierte Licht des Meßsystems empfangenden Meßlichtdetektor und einem das reflektierte Licht des Referenzsystems empfangenden Referenzlicht­ detektor, die eine Meßeinrichtung speisen, deren Ausgangssignal ein Maß für die zu erfassenden Abstände ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) an ein erstes Faserbündel (8) einer Faserbündelweiche (10) angekoppelt ist, das sich in der Faserbündelweiche (10) verzweigende optische Fasern einer ersten (41) und einer zweiten Fasergruppe (42) aufweist, wobei die Fasern der ersten Fasergruppe (41) mit den Fasern einer dritten Fasergruppe (43) ein von der Faser­ bündelweiche (10) ausgehendes zweites Faserbündel (11) und die Fasern der zweiten Fasergruppe (42) mit den Fasern einer vierten Fasergruppe (44) ein drittes Faserbündel (12) bilden und die Faserenden (13) der ersten und dritten Fasergruppe (41, 43) in dem zu messenden Abstand vor der lichtreflek­ tierenden Fläche (1) des Meßkörpers enden, so daß das reflektierte Licht durch die dritte Faser­ gruppe (43) über die Faserbündelweiche (10), durch die die Fasern der dritten Fasergruppe (43) auf der von dem Meßkörper wegweisenden Seite als viertes Faserbündel (20) zusammengefaßt sind, den Meßlichtdetektor (22) speist, und daß die Faser­ enden (14) der Fasern der zweiten Fasergruppe (42) den vor ihnen angeordneten Referenzspiegel (15) anstrahlen, wobei das reflektierte Licht über die Fasern der vierten Fasergruppe (44), die in der Faserbündelweiche (10) auf der dem dritten Faser­ bündel (12) gegenüberliegenden Seite als fünftes Faserbündel (23) abzweigen, zu dem Referenzlicht­ detektor (25) gelangt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an dem dem Meßkörper (1) benachbarten Ende (13) des zweiten Faserbündels (11) eine Kollimatorlinse (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei­ ten (11) und dritten Faserbündel (12) gleich lang und von einer gemeinsamen Umhüllung umgeben sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser­ bündelweiche (10) in der Nähe der Lichtquelle (5) und der Lichtdetektoren (22, 25) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten und dritten Faserbündel (11, 12) über faseroptische Stecker (18, 19) lösbar mit der Faserbündelweiche (10) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ lichtdetektor (22) und der Referenzlichtdetektor (25) jeweils über einen Schmalbandverstärker (26, 28) mit einer zugeordneten Mischstufe (27, 29) verbunden sind, die ihrerseits mit einem Hilfs­ oszillator (30) und einer Phasenmeßeinrichtung (33) verbunden sind.