DE3712699C2

DE3712699C2 -

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Publication number: DE3712699C2
Application number: DE19873712699
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 7000 Stuttgart De Ruhrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-04-14
Filing date: 1987-04-14
Publication date: 1989-03-09
Also published as: DE3712699A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Umwandlung physikalischer Größen in ein elektrisches Signal mit einem lichtleitenden Meßkörper, der mit räumlich verteilten Leuchtkörpern versehen ist, von denen in diffuser Verteilung Lichtstrahlen ausgehen, die in Abhängigkeit von der physikalischen Größe an Grenzflächen des Meßkörpers austreten oder totalreflektiert werden, wobei die totalreflektierten Lichtstrahlen an einer Stirnfläche des Meßkörpers ausgekoppelt werden und auf fotoempfindliche Elemente fallen, deren Ausgangssignal in das elektrische Signal umgewandelt wird.The invention relates to a sensor for converting physical Quantities in an electrical signal with a light-conducting Measuring body, with spatially distributed luminous bodies is provided, of which light rays in a diffuse distribution going out depending on the physical Size emerge at the interfaces of the measuring body or be totally reflected, the totally reflected light rays coupled out on an end face of the measuring body and fall on photosensitive elements whose Output signal is converted into the electrical signal.

Ein Sensor der vorstehenden Art ist aus der DE-OS 32 47 659 bekannt.A sensor of the above type is from DE-OS 32 47 659 known.

Bei dem bekannten Sensor sind bevorzugt in einer lichtleitenden Platte oder einem lichtleitenden zylindrischen Körper Lumineszenzteilchen eingebracht, die durch Bestrahlung zum Leuchten gebracht werden. Wegen der diffusen Abstrahlung der Lumineszenzteilchen tritt ein Teil der von diesen Teilchen emittierten Lichtstrahlen unter Brechung ihrer Richtung vom Einfallslot weg aus dem Sensorkörper aus während flacher verlaufende Lichtstrahlen an der Grenzfläche zwischen Sensorkörper und Umgebung (typischerweise: Luft) totalreflektiert und somit im Sensorkörper zur Stirnfläche weggeführt werden.In the known sensor are preferably in a light-guiding Plate or a light-guiding cylindrical body Luminescent particles introduced by irradiation to the Lights are brought. Because of the diffuse radiation of the Luminescent particles occur in part of these particles emitted light rays refracting their direction from Incidence slot away from the sensor body while flatter running light rays at the interface between the sensor body and environment (typically: air) totally reflected and thus led away to the end face in the sensor body will.

Das Verhältnis von austretender zu totalreflektierter Lichtmenge läßt sich in mannigfaltiger Weise durch physikalische Größen variieren, beispielsweise durch die Lage des auftreffenden, die Lumineszenzteilchen anregenden externen Lichtstrahls, durch das Verhältnis der Brechungsindizes des Sensorkörpers und des umgebenden Mediums usw.The ratio of emerging to totally reflected amount of light can be varied in a variety of ways through physical Sizes vary, for example due to the location of the the luminescent particle stimulating external light beam, by the ratio of the refractive indices of the Sensor body and the surrounding medium etc.

Bei dem bekannten Sensor ist von Nachteil, daß sich die Umgebungsbedingungen, beispielsweise die Umgebungstemperatur und dgl. störend auf das Meßergebnis auswirken können, weil diese Umgebungsbedingungen den Analogwert der jeweils gemessenen Lichtmenge beeinflussen könne.The known sensor has the disadvantage that the Ambient conditions, for example the ambient temperature and the like can interfere with the measurement result because these environmental conditions the analog value of the measured Can influence the amount of light.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß das Meßergebnis weitgehend unabhängig von derartigen Umgebungsbedingungen ist.The invention is therefore based on the object of a sensor of the type mentioned to further develop that the measurement result largely independent of such environmental conditions is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßkörper einen lichtleitenden Kern eines ersten Brechungsindex sowie einen den Kern umgebenden lichtleitenden Mantel eines zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex und dieser wiederum größer als ein dritter Brechungsindex eines den Mantel umgebenden Außenraums ist, daß der Kern mit den Leuchtkörpern versehen ist, und daß durch Totalreflektion an einer Kern/Mantel-Grenzfläche im Kern geführte erste Lichtstrahlen getrennt von durch Totalreflektion an einer Mantel/Außenraum-Grenzfläche im Mantel und im Kern geführten zweiten Lichtstrahlen aus der Stirnfläche ausgekoppelt und getrennten fotoempfindlichen Elementen zugeführt werden.This object is achieved in that the Measuring body a light-guiding core of a first refractive index and a light-guiding jacket surrounding the core of a has a second refractive index, the first refractive index larger than the second refractive index and this in turn larger as a third refractive index of one surrounding the cladding Outside is that the core is provided with the luminous elements and that by total reflection at a core / shell interface first light rays guided in the core separated from by Total reflection at a cladding / exterior boundary in the cladding and in the core guided second light rays from the end face decoupled and supplied to separate photosensitive elements will.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil zwei nach dem Austritt an einer Stirnseite räumlich voneinander separierbare Strahlenbündel, nämlich ein Bündel von Kern-Strahlen und ein Bündel von Mantel-Strahlen erzeugt werden, die exakt denselben Umgebungsbedingungen, beispielsweise derselben Umgebungstemperatur, unterliegen. Durch geeignete Verknüpfung der von den fotoempfindlichen Elementen erzeugten Signale, insbesondere durch Quotientenbildung dieser Signale, kann nun ein Meßwert erzeugt werden, bei dem störende Einflüsse der Umgebungsbedingungen eliminiert sind.The object underlying the invention is based on this Way completely solved, because two after leaving one End face spatially separable beams, namely a bundle of core rays and a bundle of cladding rays are generated that have exactly the same environmental conditions, for example the same ambient temperature, subject to. By appropriate linking of the photosensitive Signals generated by elements, in particular by Quotient formation of these signals, a measured value can now be generated in which disturbing influences of the environmental conditions are eliminated.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Meßkörper an der Stirnseite an einen langgestreckten lichtleitenden Körper angeschlossen, der sich zu einer gegenüberliegenden weiteren Stirnfläche unter einem Winkel weitet, der mindestens dem kritischen Brechungswinkel an der Grenzfläche zwischen Mantel und Außenraum entspricht, wobei die fotoempfindlichen Elemente an der weiteren Stirnfläche angeordnet sind.In a preferred embodiment of the invention Measuring body on the face of an elongated light-guiding Body connected to an opposite one another end face at an angle, the at least the critical refractive angle at the Interface between the jacket and the outside corresponds, where the photosensitive elements on the other end face are arranged.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein kompakter Sensoraufbau entsteht, bei dem der eigentliche Meßkörper von den fotoempfindlichen Elementen räumlich durch entsprechende Verlängerung des lichtleitenden Körpers getrennt werden kann. Die z. B. konische Aufwertung des lichtleitenden Körpers hat dabei den Vorteil, daß in den Randbereichen der konischen Aufweitung nur die Mantel-Strahlen geführt werden, weil sich diese unter einem steileren Winkel zur Ausbreitungsrichtung fortpflanzen, als dies bei den Kern-Strahlen der Fall ist. Durch räumlich versetzte Anordnung von fotoempfindlichen Elementen an die weitere Stirnfläche im Bereich der konischen Aufweitung können daher die Kern-Strahlen sauber von den Mantel-Strahlen separiert werden.This measure has the advantage that a compact sensor structure arises in which the actual measuring body of the spatially by appropriate photosensitive elements Extension of the light-guiding body can be separated can. The z. B. conical upgrade of the light-guiding body has the advantage that the conical widening only the mantle rays are guided because they are at a steeper angle to the direction of propagation reproduce than this with the core rays the case is. By spatially offset arrangement of photosensitive Elements on the other end face in the area The conical widening can therefore be the core rays cleanly separated from the jacket rays.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die Leuchtkörper Lumineszenzkörper oder Streukörper oder elektrische Leuchtkörper sein.In preferred embodiments of the invention, the Luminescent body or scatter body or electrical Be a luminary.

Die Verwendung von Lumineszenskörpern, d. h. selbst lichtaussendenden Körpern bei Bestrahlung mit externem Licht bzw. von Streukörpern, d. h. im Medium angeordneten Körpern, die auffallendes Fremdlicht lediglich diffus reflektieren, hat den Vorteil, daß lediglich Fremdlicht an die Meßstelle gebracht werden muß, ohne daß elektrische Zuleitungen erforderlich sind. Im Falle der Verwendung von Streukörpern kann ein weiterer Meßeffekt dadurch erzielt werden, daß Fremdlicht unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt wird, um auf diese Weise eine Codierung des Meßergebnisses zu erreichen.The use of luminescent bodies, i. H. even light emitters Bodies when exposed to external light or of scattering bodies, d. H. bodies arranged in the medium, the only diffusely reflect striking extraneous light the advantage that only extraneous light reaches the measuring point must be brought without the need for electrical leads are. In the case of the use of scattering bodies Another measurement effect can be achieved in that extraneous light different wavelength is radiated to to achieve a coding of the measurement result in this way.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Quotientenbildner zur Bildung des Quotienten aus den Ausgangssignalen der fotoempfindlichen Elemente vorgesehen.In a further preferred embodiment of the invention is a quotient for the formation of the quotient from the Output signals of the photosensitive elements are provided.

Es wurde bereits erwähnt, daß durch geeignete Verknüpfung der Ausgangssignale der fotoempfindlichen Elemente störende Umwelteinflüsse eliminert werden können. Obwohl hierzu zahlreiche Verknüpfungsarten einsetzbar sind, hat sich die Quotientenbildung als besonders einfach und zuverlässig erwiesen.It has already been mentioned that by appropriate linking the output signals of the photosensitive elements disturbing Environmental influences can be eliminated. Although this numerous linkage types can be used, the Quotient formation as particularly simple and reliable proven.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Meßkörper prismatisch ausgebildet und ein fotoempfindliches Element ist im axialen Abstand vom Zentrum der Stirnfläche und mindestens ein weiters fotoempfindliches Element ist radial und axial beabstandet vom Zentrum angeordnet.In a further embodiment of the invention Measuring body prismatic and a photosensitive Element is at an axial distance from the center of the end face and is at least one other photosensitive element radially and axially spaced from the center.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß, ähnlich wie bei dem bereits geschilderten Ausführungsbeispiel mit konischer Aufweitung eines lichtleitenden Körpers auch hier die unterschiedlichen Austrittswinkel an der Stirnfläche ausgenutzt werden, um die Kern-Strahlen von den Mantel-Strahlen zu separieren.This measure has the advantage that, similar to that already described embodiment with conical Widening a light-guiding body here, too, the different ones Exit angle used on the end face to the core rays from the cladding rays too separate.

Bei einer Weiterbildung dieser Variante sind die weiteren fotoempfindlichen Element als Ringelement ausgebildet. In a further development of this variant, the others photosensitive element formed as a ring element.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein besonders gutes Meßsignal erhalten werden kann, weil die bestrahlte Fläche der fotoempfindlichen Elemente besonders groß ist.This measure has the advantage of being particularly good Measurement signal can be obtained because of the irradiated area of the photosensitive elements is particularly large.

Bei einer weiteren Variante dieses Ausführungsbeispiels ist zwischen dem zentralen fotoempfindlichen Element und dem weiteren fotoempfindlichen Elemente eine ringförmige Abdeckblende angeordnet.In a further variant of this embodiment between the central photosensitive element and the other photosensitive elements an annular cover arranged.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Überlappungsbereich von Kern-Strahlen und Mantel-Strahlen abgedeckt werden kann, um eindeutige Meßverhältnisse zu schaffen.This measure has the advantage that the overlap area can be covered by core rays and cladding rays to create clear measurement relationships.

Bei einer Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die physikalische Größe eine Strecke und der Meßkörper ist langgestreckt sowie mit einem Mantel versehen, wobei ein Lichtstrahl in radialer Richtung im axialen Abstand der Strecke von einer radialen Bezugsebene auf den Meßkörper fällt und dort die Leuchtkörper zu diffuser Lichtaussendung anregt.One set of embodiments of the invention the physical quantity is a distance and the measuring body is elongated and provided with a coat, one Beam of light in the radial direction at an axial distance from the Distance from a radial reference plane to the measuring body falls and there the luminous elements to diffuse light emission stimulates.

Diese Gruppe von Ausführungsbeispielen macht sich die Tatsache zunutze, daß bei unterschiedlichen Ausbreitungswinkeln die Mantel-Strahlen und die Kern-Strahlen vom Auftreffpunkt des radial einfallenden Lichtstrahls bis zur Stirnfläche, an der sie ausgekoppelt werden, unterschiedliche Wegstrecken zurücklegen, so daß bei endlicher und bekannter Dämpfung der Quotient der ausgekoppelten Strahlen ein Maß für die Strecke ist. This group of embodiments makes the fact take advantage of that at different angles of propagation the cladding rays and the core rays from the point of impact of the radially incident light beam up to the end face which they are decoupled, different distances cover so that with finite and known damping the Quotient of the outcoupled rays is a measure of the distance is.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die physikalische Größe eine Dichte oder ein Druck eines Mediums und der Meßkörper grenzt mit der Oberfläche des Mantels an das Medium.In a further group of exemplary embodiments, the physical quantity a density or a pressure of a medium and the measuring body adjoins the surface of the jacket the medium.

Diese Gruppe von Ausführungsbeispielen macht sich die Tatsache zunutze, daß je nach Verhältnis der Dichten bzw. der damit verknüpften Brechungsindizes des mit dem Medium gefüllten Außenraums bzw. des Mantels des Sensorkörpers ein mehr oder weniger großer Anteil des diffus von den Leuchtkörpern ausgesandten Lichts in das Medium ausgekoppelt oder an der Grenzfläche totalreflektiert wird.This group of embodiments makes the fact take advantage of the fact that depending on the ratio of the densities or associated refractive indices of that filled with the medium Outside or the jacket of the sensor body more or less large part of the diffuse from the luminaries emitted light in the medium or is totally reflected at the interface.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die physikalische Größe ein Füllstand eines Mediums und der Meßkörper grenzt in Abängigkeit vom Füllstand mit einem Teil der Oberfläche des Mantels an das Medium.In a further group of exemplary embodiments, the physical quantity a level of a medium and the Depending on the level, the measuring body borders with a Part of the surface of the jacket to the medium.

Auch dieses Ausführungsbeispiel macht sich die Tatsache zunutze, daß bei variierendem Füllstand eines Mediums, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex des Mantels, auch ein entsprechender Teil der von den Leuchtkörpern ausgesandten Lichtmenge in das umgebende Medium "abgesaugt" wird. Die Lichtmenge der Strahlen, die in dem nicht an das Medium angrenzenden Bereichs des Sensorkörpers durch Totalreflektion im Sensorkörper geführt werden, ist somit ein Maß für den Füllstand.This embodiment also makes the fact take advantage of the fact that when the level of a medium varies, whose refractive index is greater than the refractive index of the Sheath, also a corresponding part of that of the filaments emitted amount of light "sucked" into the surrounding medium becomes. The amount of light of the rays in the not region of the sensor body adjacent to the medium Total reflection in the sensor body is thus a measure of the level.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die physikalische Größe eine Temperatur, wobei der Meßkörper von einem Medium der zu messenden Temperatur umgeben ist und die Brechungsindizes des Kerns bzw. des Mantels einen definierten, unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufweisen.In a further group of exemplary embodiments, the physical quantity a temperature, the measuring body of is surrounded by a medium of the temperature to be measured and the Refractive indices of the core or the cladding a defined, have different temperature coefficients.

Bei dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen macht man sich mit Vorteil die Tatsache zunutze, daß bei definiert unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der Brechungsindizes auch das Verhältnis der von den Kern-Strahlen erzeugten Signale zu dem von den Mantel-Strahlen erzeugten Signale eine Temperaturabhängigkeit aufweist.With this group of exemplary embodiments, one makes oneself take advantage of the fact that at defined different Temperature coefficients of the refractive indices also the ratio of those generated by the nuclear rays Signals to the signal generated by the cladding rays has a temperature dependency.

Schließlich ist bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen die physikalischen Größe eine Kraft oder eine Strecke, wobei der Meßkörper als dünner, langgestreckter Körper ausgebildet, als Biegebalken angeordnet und von der Kraft eine Strecke auslenkbar ist.Finally, another group of exemplary embodiments the physical quantity a force or a Distance, the measuring body as a thin, elongated Body formed, arranged as a bending beam and from the Force a route is deflectable.

Bei dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen macht man sich die Tatsache zunutze, daß bei Verformung eines Biegbalkens Krümmung definierter Art auftreten, so daß auch hier die Wegstrecken der unter unterschiedlichen Winkeln sich ausbreitenden Kern- und Mantelstrahlen sich in definierter Weise voneinander unterscheiden, so daß ein Rückschluß auf die Durchbiegung des Biegebalkens möglich ist.With this group of exemplary embodiments, one makes oneself take advantage of the fact that when a bending beam is deformed Curvature of a defined type occur, so that here too Distances of those spreading at different angles Core and cladding rays are defined Way differ from each other so that a conclusion on the bending of the bending beam is possible.

Es versteht sich, daß bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen unterschiedlicher physikalischer Größen auch mittelbar meßbare physikalische Größen von der Erfindung mit umfaßt sind. So kann z. B. die Messung einer Dichte ein mittelbares Maß für die Messung eines Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie sein, weil bei sich änderndem Ladezustand auch der Säuregehalt und damit die Dichte des Elektrolyten variiert. In entsprechender Weise kann die Messung der Kraft und des Weges auch ein mittelbares Maß z. B. für einen Gasstrom sein, wenn sich ein als Biegebalken ausgebildeter Sensorkörper in einem Gasstrom befindet und sich je nach Geschwindigkeit des Gasstroms bzw. je nach durchgesetzter Luftmenge bei bekannten Strömungsquerschnitt der Biegebalken entsprechend durchbiegt.It is understood that in the above-mentioned embodiments of different physical sizes too indirectly measurable physical quantities of the invention are included. So z. B. a measurement of a density indirect measure of the measurement of a state of charge Be an accumulator battery because the state of charge changes also the acidity and thus the density of the electrolyte varies. The measurement of the Force and the way also an indirect measure z. B. for one Be a gas flow if a bend beam is formed Sensor body is in a gas stream and depending on Speed of the gas flow or depending on the enforced Air volume with known flow cross-section of the bending beams deflects accordingly.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.Further advantages result from the description and the Drawing.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above and the Features explained below not only in the combination given in each case but also in others Combinations or alone can be used without to leave the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in the following description explained in more detail. It shows

Fig. 1 bis Fig. 3 schematische Ansichten von Verläufen von Lichtstrahlen im Bereich eines lichtleitenden Kerns, eines lichtleitenden Mantels sowie eines lichtleitenden Außenraums; . Figures 1 to 3 are schematic views of waveforms of light beams in the area of a light-conducting core of a light conducting cladding and a photoconductive outer space.

Fig. 4 eine stark schematisierte Gesamtansicht, teilweise aufgebrochen, eines Ausführungsbeispieils eines erfindungsgemäßen Sensors mit Auswertelektronik; Fig. 4 is a highly schematic overall view, partly broken away, of a Ausführungsbeispieils an inventive sensor with evaluation;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Dichte oder eines Drucks eines Mediums; Fig. 5 shows a further embodiment of a sensor according to the invention for measuring a density or pressure of a medium;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung eines Füllstandes; Fig. 6 shows a further embodiment of an inventive sensor for measuring a level;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Temperatur; Fig. 7 shows a further embodiment of an inventive sensor for measuring a temperature;

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Kraft bzw. einer Strecke. Fig. 8 shows a further embodiment of an inventive sensor for measuring a force or a range.

In den Fig. 1 bis 3 ist in vergrößerter Darstellung der Strahlengang für Lichtstrahlen unterschiedlicher Richtung angedeutet, wenn sich diese Lichtstrahlen in einem Lichtleiter ausbreiten, der in einem mit einem Medium gefüllten oder evakuierten Außenraum 10 mit einem Brechungsindex n _A angeordnet ist. Der Lichtleiter weist an seiner Außenseite einen Mantel 11 mit einem Brechungsindex n _M auf und besteht im Inneren aus einem Kern 12 mit einem Brechungsindex n _K. Für die folgende Betrachtung wird angenommen, daß der Brechungsindex n _K des Kerns 12 größer ist als der Brechungsindex n _M des Mantels 11 und dieser wiederum größer als der Brechungsindex n _A des Außenraums 10.In Figs. 1 to 3 in an enlarged representation of the beam path is indicated for light beams of different direction when these light beams propagate in a light pipe, which is arranged in a container filled with a medium or evacuated outer space 10 having a refractive index n _A. The light guide has on its outside a cladding 11 with a refractive index n _M and inside consists of a core 12 with a refractive index n _K. For the following consideration it is assumed that the refractive index n _{K of} the core 12 is larger than the refractive index n _{M of} the cladding 11 and this in turn is larger than the refractive index n _{A of} the outer space 10 .

In Fig. 1 bis 13 ein erster, relativ flacher Lichtstrahl, der im Kern 12 geführt wird. Der Lichtstrahl 13 trifft an einen bestimmten Punkt auf eine erste Grenzfläche 14 zwischen Kern 12 und Mantel 11. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispielsfall fällt der erste Lichtstrahl 13 unter einen Winkel α₁ zum Lot 15 im Auftreffpunkt auf die Grenzfläche 14. Dieser Winkel α₁ ist größer als der kritische Grenzwinkel α _tKM der Totalreflektion, der bekanntlich der Beziehung:In Fig. 1 to 13, a first, relatively flat light beam, which is guided in the core 12. At a certain point, the light beam 13 strikes a first interface 14 between the core 12 and the jacket 11 . In the example shown in Fig. 1, the first light beam 13 falls at an angle α ₁ to the perpendicular 15 at the point of impact on the interface 14th This angle α ₁ is greater than the critical critical angle α _{tKM of} the total reflection, which is known to have the relationship:

sin α _tKM = n _M/n _K sin α _tKM = n _M / n _K

gehorcht. Da α₁ größer ist als α _tKM wird der erste Lichtstrahl 13 totalreflektiert und als reflektierter Lichtstrahl 13 a im Kern 12 weitergeführt.obey. Since α ₁ is greater than α _tKM , the first light beam 13 is totally reflected and continued as a reflected light beam 13 a in the core 12 .

Erst wenn die Richtung des auftreffenden Lichtstrahls so ist, wie es mit einem zweiten Lichtstrahl 16 in Fig. 1 eingezeichnet ist, der genau unter dem Winkel α _tKM zum Lot 15 auf die erste Genzfläche 14 trifft, liegt der Grenzfall des in die erste Genzfläche 14 gebrochenen zweiten Lichtstrahls 16 a zwischen Totalreflektion und Auskopplung vor.Only when the direction of the incident light beam is as it is drawn in with a second light beam 16 in FIG. 1, which _strikes the first boundary surface 14 at exactly the angle α _tKM to the perpendicular 15 , is the limit case of the first boundary surface 14 broken second light beam 16 a between total reflection and coupling out.

Fig. 2 zeigt einen dritten Fall eines dritten Lichtstrahls 20, der unter einem Winkel α₂ zum Lot 15 einfällt, der kleiner ist als der kritische Grenzwinkel α _tKM. Infolgedessen tritt der dritte Lichtstrahl 20 durch die erste Grenzfläche 14 durch und gelangt in den Bereich des Mantels 11. Dort trifft der ausgetretene dritte Lichtstrahl 20 a auf eine zweite Grenzfläche 21 zwischen Mantel 11 und Außenraum 10. Der kritische Grenzwinkel der Totalreflektion an der zweiten Grenzfläche 21 sei α _tMA und dieser Winkel berechnet sich aus den Brechungsindizes n _M und n _A wie bereits oben am Beispiel von α _tKM gezeigt. Fig. 2 shows a third case of a third light beam 20 which is incident at an angle α ₂ to the perpendicular 15 , which is smaller than the critical critical angle α _tKM . As a result, the third light beam 20 passes through the first interface 14 and reaches the area of the cladding 11 . There, the emerging third light beam 20 a strikes a second interface 21 between the jacket 11 and the outer space 10 . The critical critical angle of the total reflection at the second boundary surface 21 is α _tMA and this angle is calculated from the refractive indices n _M and n _A as already shown above _using the example of α _tKM .

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispielsfall trifft der ausgetretene Lichtstrahl 20 a auf die zweite Grenzfläche 21 unter einem Winkel α₃, der größer als der kritische Grenzwinkel α _tMA der Totalreflektion an der zweiten Grenzfläche 21 ist. Folglich wird der ausgetretene dritte Lichtstrahl 20 a an der zweiten Grenzfläche 21 totalreflektiert und als Lichtstrahl 20 b auf die erste Grenzfläche 14 zurückgeführt, wo er - unter Berechnung zum Lot hin - wieder in den Kern 12 eintritt und zwar unter dem Winkel α₂. Schließlich zeigt Fig. 3 noch einen vierten Lichtstrahl 30, der aus dem Kern 12 als Lichtstrahl 30 a austritt und gerade unter dem kritischen Grenzwinkel α _tMA auf die zweite Grenzfläche 21 trifft und dort in der zweiten Grenzfläche 21 als Lichtstrahl 30 b weitergeführt wird. Um diesen Grenzfall zu erreichen, muß der vierte Lichtstrahl 30 unter einem kritischen Winkel α _tKA auf die erste Grenzfläche 14 fallen, damit der in Fig. 3 dargestellte Strahlengang 30/30 a/30 b entsteht. Dabei gilt:In the example shown in Fig. 2, the emerged light beam 20 a strikes the second interface 21 at an angle α ₃, which is greater than the critical limit angle α _{tMA of} the total reflection at the second interface 21 . Consequently, the emerged third light beam 20 a is totally reflected at the second interface 21 and is returned as a light beam 20 b to the first interface 14 , where it re-enters the core 12 - calculated at perpendicular - at an angle α ₂. Finally, FIG. 3 also shows a fourth light beam 30 , which emerges from the core 12 as a light beam 30 a and _strikes the second interface 21 just under the critical limit angle α _tMA and is continued there in the second interface 21 as a light beam 30 b . To reach this limiting case, the fourth light beam 30 must fall below a critical angle α _TKA to the first interface 14 so that the beam path 30/30 a / 30 shown in Fig. 3 b is formed. The following applies:

sin α _tMA = n _A/n _K sin α _tMA = n _A / n _K

Noch steiler als unter dem Winkel α _tKA auf die erste Grenzfläche 14 auftreffende Lichtstrahlen wie dies mit einem fünften Lichtstrahl 31 in Fig. 3 gezeigt ist, der unter einem noch kleineren Winkel α₄ auf die erste Grenzfläche 14 trifft, treten als Lichtstrahl 31 a zunächst in den Mantel 11 ein und gelangen dann unter einem Winkel α₅ auf die zweite Grenzfläche 21, wobei jedoch α₅ kleiner ist als α _tMA, so daß der Lichtstrahl 31 a als Lichtstrahl 31 b auch aus dem Mantel 11 austritt und in den Außenraum 10 gelangt. Even steeper than light rays striking the first interface 14 at the angle α _tKA, as is shown with a fifth light beam 31 in FIG. 3, which strikes the first interface 14 at an even smaller angle α ₄, first appear as the light beam 31 a into the jacket 11 and then reach the second interface 21 at an angle α ₅, but α _wobei is smaller than α _tMA , so that the light beam 31 a also emerges as a light beam 31 b from the jacket 11 and into the outer space 10 reached.

Es ergeben sich also gesamthaft betrachtet, drei interessierende Winkelbereiche, die in Fig. 3 mit α _RK, α _RM und α _tKA bezeichnet sind.Viewed as a whole, there are three angle _{ranges of} interest, which are designated in FIG. 3 with α _RK , α _RM and α _tKA .

Die im Winkelbereich α _RK auf die erste Grenzfläche 14 fallenden Lichtstrahlen (Beispiel der Fig. 1) werden an der ersten Grenzfläche 14 totalreflektiert und somit nur im Kern 12 in Ausbreitungsrichtung geführt.The light rays falling on the first interface 14 in the angular range α _RK (example of FIG. 1) are totally reflected at the first interface 14 and are thus guided only in the core 12 in the direction of propagation.

Die im Winkelbereich α _RM auf die erste Grenzfläche 14 auftreffenden Lichtstrahlen treten zwar aus dem Kern 12 aus, werden jedoch an der zweiten Grenzfläche 21 totalreflektiert und demzufolge in Ausbreitungsrichtung im Kern 12 und im Mantel 11 geführt.The light beams incident on the first interface 14 in the angular range α _RM emerge from the core 12 , but are totally reflected at the second interface 21 and are consequently guided in the direction of propagation in the core 12 and in the jacket 11 .

Die im Winkelbereich α _tKA auf die erste Grenzfläche 14 auftreffenden Lichtstrahlen treten hingegen aus dem Kern 12 in den Mantel 11 und von dort in den Außenraum 10 aus.The light rays incident on the first interface 14 in the angular range α _tKA , however, emerge from the core 12 into the jacket 11 and from there into the outer space 10 .

Bei einer Anordnung gemäß den Fig. 1 bis 3 hat man es daher mit zwei verschiedenen Lichtstrahlführungen zu tun.In the case of an arrangement according to FIGS. 1 to 3, two different light beam guides are therefore involved.

Ein erstes, relativ flaches Lichtbündel α _RK wird durch Totalreflektion an der ersten Grenzfläche 14 nur im Kern 12 geführt und diese Lichtstrahlen werden daher nachstehend als "Kern-Strahlen" bezeichnet.A first, relatively flat light beam α _RK is guided by total reflection at the first interface 14 only in the core 12 and these light rays are therefore referred to below as "core rays".

Ein zweites, etwas steiler verlaufendes Lichtbündel α _RM wird hingegen durch Totalreflektion an der zweiten Grenzfläche 21 im Mantel und im Kern 12 geführt und diese Lichtstrahlen werden nachstehend als "Mantel-Strahlen" bezeichnet. A second, somewhat steeper light bundle α _RM , on the other hand, is guided by total reflection at the second interface 21 in the cladding and in the core 12 and these light rays are referred to below as "cladding rays".

Die vorliegende Erfindung macht sich diese beiden unterschiedlichen Strahlenarten zunutze, indem jeweils eine Strahlenart als Referenzstrahl und die andere als Meßstrahl verwendet wird. Da sich nämlich beide Strahlenarten im wesentlichen im Kern 12 ausbreiten, sind sie auch denselben Umweltbedingungen, insbesondere derselben Temperatur, ausgesetzt, so daß durch Verknüpfung der beiden Strahlenarten Meßergebnisse erzielt werden können, die frei von Umwelteinflüssen sind.The present invention takes advantage of these two different types of beams by using one type of beam as the reference beam and the other as the measuring beam. Since both types of radiation essentially spread out in the core 12 , they are also exposed to the same environmental conditions, in particular the same temperature, so that measurement results which are free from environmental influences can be achieved by linking the two types of radiation.

Fig. 4 zeigt ein erstes praktischen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wie er z. B. zur Messung einer Strecke s verwendet werden kann. Fig. 4 shows a first practical embodiment of a sensor according to the invention, as z. B. can be used to measure a distance s .

Der in Fig. 4 zu erkennende Sensor 39 weist einen Meßkörper 40 auf, der aus einem lichtleitenden Kern 41 und einem lichtleitenden Mantel 42 besteht. Der Meßkörper 40 kann beispielsweise eine Lichtleitfaser sein, die mit einem dünnen Überzug, einem sogenannten "Cladding" versehen ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Manteldicke wesentlich geringer als die Kerndicke, dies muß für die Belange der vorliegenden Erfindung jedoch nicht systematisch so sein.The sensor 39 shown in FIG. 4 has a measuring body 40 which consists of a light-conducting core 41 and a light-conducting jacket 42 . The measuring body 40 can be an optical fiber, for example, which is provided with a thin coating, a so-called "cladding". With such an arrangement, the cladding thickness is substantially less than the core thickness, but this need not be systematic for the purposes of the present invention.

Wie aus der oben im einzelnen angeführten phänomenologischen Betrachtung an Hand der Fig. 1 bis 3 deutlich wurde, muß zur Erzeugung und Separierung der Kern-Strahlen und der Mantel-Strahlen zunächst ein diffuses Lichtbündel erzeugt werden, in dem möglichst Lichtstrahlen aller beliebigen Richtungen auftreten. As became clear from the phenomenological consideration given in detail above with reference to FIGS. 1 to 3, a diffuse light bundle must first be generated in order to generate and separate the core rays and the cladding rays, in which light rays of all directions occur as far as possible.

Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 das Material des Kerns 41 mit Leuchtkörpern 43 versehen, wobei unter "Leuchtkörper" jedwedes Element verstanden wird, das in der Lage ist, diffuses Primär- oder Sekundärlicht auszustrahlen. So können die Leuchtkörper beispielsweise lumineszierende oder fluoreszierende Elemente sein, die nach Anregung durch ein externes Licht eine Eigenstrahlung bestimmter Wellenlänge abgeben. Leuchtkörper können jedoch auch diffus reflektierende Teilchen sein, wie sie in Festkörper einlagerbar oder in Flüssigkeiten aufschwemmbar sind (z. B. in der sogenannten Tyndall-Lösung). Die diffuse Lichtaussendung von derartigen Teilchen erfolgt durch einfache Bestrahlung mit Primärlicht, das an den Teilchen diffus reflektiert wird. Schließlich können Leuchtkörper auch eigenleuchtende elektrische Leuchtkörper, z. B. Leuchtdioden oder dgl. sein, soweit nicht (wie etwa beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4) dem systematische Gründe wegen der speziellen physikalischen Meßgröße entgegenstehen.For this purpose, in the exemplary embodiment in FIG. 4, the material of the core 41 is provided with luminous elements 43 , “luminous element” being understood to mean any element that is able to emit diffuse primary or secondary light. For example, the luminous elements can be luminescent or fluorescent elements, which emit their own radiation of a specific wavelength after being excited by external light. Luminous bodies can, however, also be diffusely reflecting particles, such as can be stored in solid bodies or can be suspended in liquids (e.g. in the so-called Tyndall solution). The diffuse light emission of such particles takes place by simple irradiation with primary light, which is diffusely reflected on the particles. Finally, luminous elements can also be self-illuminating electrical luminous elements, e.g. B. LEDs or the like. Unless (as in the embodiment of FIG. 4) the systematic reasons stand in the way of the special physical measured variable.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird die physikalische Größe, nämlich die Strecke s durch den axialen Abstand eines radial einfallenden sechsten Lichtstrahls 44 von einer Bezugsebene 45 definiert. Der sechste Lichtstrahl 44 induziert in einer der vorstehend beschriebenen Weise eine diffuse Lichtstrahlung derjenigen Leuchtkörper 43, die sich in einer Radialebene im Abstand s von der Bezugsebene 45 im Kern 41 befinden.In the exemplary embodiment in FIG. 4, the physical quantity, namely the distance s, is defined by the axial distance of a radially incident sixth light beam 44 from a reference plane 45 . The sixth light beam 44 induces in a manner described above a diffuse light radiation from those luminous bodies 43 which are located in a radial plane at a distance s from the reference plane 45 in the core 41 .

Infolge des zu den Fig. 1 bis 3 ausführlich beschriebenen Mechanismus breiten sich nun im Kern 41 Kern-Strahlen 46 und im Kern 12 sowie im Mantel 42 Mantel-Strahlen 47 aus. Diese Strahlen 46, 47 bereiten sich beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 auch in einer Ausbreitungsrichtung nach rechts aus und gelangen schließlich auf eine Stirnfläche 50 des Meßkörpers 40. Da die Kern-Strahlen 46 einerseits und die Mantel-Strahlen 47 andererseits sich jeweils nur innerhalb eines definierten Winkelbereichs (vgl. α _RK und α _RM in Fig. 3) ausbreiten, treten die Kern-Strahlen 46 und die Mantel-Strahlen 47 auch unter definiert verschiedenen Öffnungswinkeln aus der Stirnfläche 50 aus. In Fig. 4 ist dies durch einen Kern-Öffnungswinkel 51 und einen Mantel-Öffnungswinkel 52 äußerst schematisch veranschaulicht.As a result of the mechanism described in detail in relation to FIGS. 1 to 3, core rays 46 now spread in the core 41 and core rays 47 in the core 12 as well as in the shell 42 . In the exemplary embodiment according to FIG. 4, these beams 46, 47 also prepare to the right in a direction of propagation and finally reach an end face 50 of the measuring body 40 . Since the core rays 46 on the one hand and the cladding rays 47 on the other hand only spread within a defined angular range (cf. α _RK and α _RM in FIG. 3), the core rays 46 and the cladding rays 47 also come under defines different opening angles from the end face 50 . In FIG. 4, this is illustrated extremely schematically by a core opening angle 51 and a jacket opening angle 52 .

Positioniert man nun im axialen Abstand von der Stirnfläche 50 eine Platte 55, auf die die beiden Strahlenbündel fallen, so ergibt sich bei geeigneter Dimensionierung eine Auftrefffläche nur für die Kern-Strahlen 46 und eine andere Auftrefffläche nur für die Mantel-Strahlen 47, wobei natürlich zwischen diesen Auftreffflächen Überlappungsbereiche bestehen können. Durch geeignete Dimensionierung kann man nun ein Kern-Fotoelement 56 bzw. ein Mantel-Fotoelement 57, 57 a an der Oberfläche der Platte 55 so anordnen, daß diese Fotoelemente 56 bzw. 57, 57 a jeweils nur von aus der Stirnfläche 50 ausgetretenen Kern-Strahlen 46 bzw. Mantel-Strahlen 47 beaufschlagt werden.If one now positions a plate 55 at an axial distance from the end face 50 , onto which the two bundles of rays fall, then with a suitable dimensioning, there is an impact surface only for the core rays 46 and another impact surface only for the cladding rays 47 , of course there may be overlap areas between these contact surfaces. By suitable dimensioning, a core photo element 56 or a jacket photo element 57, 57 a can now be arranged on the surface of the plate 55 in such a way that these photo elements 56 or 57, 57 a in each case only from core exits from the end face 50. Rays 46 or sheath rays 47 are applied.

Die Signale der Fotoelemente 56, 57 können nun einem Quotientenbildner 58 zugeführt werden, an dessen Ausgang 59 ein Meßsignal S abnehmbar ist.The signals from the photo elements 56, 57 can now be fed to a quotient former 58 , at the output 59 of which a measurement signal S can be taken off.

Man kann nun zeigen, daß der Quotient σ der Intensitäten der Mantel-Strahlen 47 und der Kern-Strahlen 46 der Beziehung:It can now be shown that the quotient σ of the intensities of the cladding rays 47 and the core rays 46 of the relationship:

gehorcht.obey.

Die sich aus der vorstehenden Überlegung ergebende Tatsache, daß der Quotient der Intensitäten der beiden Strahlenarten konstant ist, läßt mehrere Möglichkeiten zu, Meßeffekte auszunutzen:The fact that arises from the above consideration that the quotient of the intensities of the two types of rays constant, allows several possibilities, measuring effects to take advantage of:

Bei einer Art von Ausführungsbeispielen (z. B. weiter unten Fig. 5) wird die vorstehend bezeichnete Gleichung dazu ausgenutzt, um bei bekannten Brechungskoeffizienten n _K und n _M von Kern und Mantel den Brechungsindex des Mediums im Außenraum zu bestimmen. Der Sensor dient in diesem Falle als Refraktometer.In one type of exemplary embodiment (for example further below, FIG. 5), the equation described above is used to determine the refractive index of the medium in the exterior with known refractive indices n _K and n _M of the core and cladding. In this case the sensor serves as a refractometer.

Bei diesem Ausführungsbeispiel und auch bei allen weiteren Ausführungsbeispielen nutzt man darüber hinaus die Tatsache aus, daß im ungestörten Fall der Quotient der Intensitäten der beiden Strahlenarten konstant ist und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle des Meßkörpers das diffuse Licht erzeugt wird. Aus Veränderungen im Bereich einer Strahlenart infolge Variation einer zu messenden physikalischen Größe (aus praktischen Gründen meist im Bereich der Mantel-Strahlen) kann man dann unterschiedliche Meßeffekte ableiten.In this embodiment and also in all others Embodiments are also used for the fact from that in the undisturbed case the quotient of the intensities of the two types of rays is constant and independent on which point of the measuring body the diffuse light is produced. From changes in the area of a radiation type due to variation of a physical quantity to be measured (for practical reasons mostly in the area of the jacket rays) you can then derive different measurement effects.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 geschieht dies dadurch, daß man sich eine geometrische Eigenschaft der Anordnung zunutze macht. Wegen des unterschiedlich flachen Verlaufes der Strahlen 46 bzw. 47 und wegen der demzufolge häufigen bzw. weniger häufigen Reflektion an den Grenzflächen Kern/Mantel bzw. Mantel/Außenraum durchlaufen die Kern-Strahlen 46 und die Mantel-Strahlen 47 auf ihrem Weg von der durch den sechsten Lichtstrahl 44 definierten Radialebene zur Stirnfläche 50 unterschiedliche Wegstrecken. Da der Dämpfungsfaktor des Materials des Kerns 41 und des Mantels 42 bekannt ist, ist die Intensität der aus der Stirnfläche 50 austretenden Kern-Strahlen 46 und Mantel-Strahlen 47 ein direktes Maß für die Strecke s. Durch Quotientenbildung der entsprechenden Signale oder durch eine sonstige geeignete Verknüpfung der Signale kann dann noch ein Signal S am Ausgang 59 erhalten werden, das frei von Umwelteinflüssen ist. Wenn nämlich die Temperaturkoeffizienten der Brechungsindizes oder der Dämpfungsfaktoren im Kern 41 und Mantel 42 näherungsweise gleich sind, so würden sich Temperaturänderungen bei den Intensitäten der Strahlenarten auf diese Weise aufheben.In the embodiment of FIG. 4, this is done by taking advantage of a geometric property of the arrangement. Because of the differently flat course of the rays 46 and 47 and because of the consequent frequent or less frequent reflection at the core / shell or shell / outer space interfaces, the core rays 46 and the shell rays 47 pass on their way through the sixth light beam 44 defines a radial plane to the end face 50 different distances. Since the damping factor of the material of the core 41 and the cladding 42 is known, the intensity of the core rays 46 and cladding rays 47 emerging from the end face 50 is a direct measure of the distance s . By forming the quotient of the corresponding signals or by some other suitable combination of the signals, a signal S can then also be obtained at the output 59 which is free from environmental influences. If the temperature coefficients of the refractive indices or the damping factors in the core 41 and cladding 42 are approximately the same, then temperature changes in the intensities of the radiation types would cancel each other out.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 dient der Sensor, wie bereits angedeutet, als Refraktometer 60. In einem Behälter 61 befindet sich ein Medium 62, von dem unmittelbar der Brechungsindex und mittelbar daraus z. B. die Dichte ρ oder der Druck p oder daraus wiederum mittelbar der Ladezustand einer Akkumulatorbatterie mit flüssigen Elektrolyten bestimmt werden soll.In the exemplary embodiment in FIG. 5, the sensor serves, as already indicated, as a refractometer 60 . In a container 61 there is a medium 62 , of which the refractive index directly and indirectly z. B. the density ρ or the pressure p or from it in turn indirectly determine the state of charge of an accumulator battery with liquid electrolytes.

Zu diesem Zweck ist ein Lichtleitkörper 63 vorgesehen, der die Wand des Behälters durchdringt und nach oben hin in einen Konus 64 mit einem Kegelwinkel 65 ausläuft. Auf den Konus 64 ist eine Sensorplatte 66 mit einem Kern-Fotoelement 67 und einem Mantel-Fotoelement 68, 68 a aufgesetzt. Zur Ausschaltung von Überlappungsbereichen kann zwischen den Fotoelementen 67 und 68, 68 a noch eine Ringblende 69 vorgesehen sein.For this purpose, a light-guiding body 63 is provided which penetrates the wall of the container and runs out into a cone 64 with a cone angle 65 . A sensor plate 66 with a core photo element 67 and a jacket photo element 68, 68 a is placed on the cone 64 . To eliminate overlap areas, an annular diaphragm 69 can also be provided between the photo elements 67 and 68, 68 a .

An das untere Ende des Lichtleitkörpers 63, der über seinen Querschnitt gleichförmig ausgebildet ist, ist ein Meßkörper 70 angesetzt, der über seinen Querschnitt in einen Kern 71 in einen Mantel 72 unterteilt ist. Im Kern 71 sind wiederum Leuchtkörper 73 eingebettet. Der Meßkörper 70 grenzt mit einer Stirnseite 74 an die Unterseite des Lichtleitkörpers 63. Mittels eines axial durch die Sensorplatte 66 geführten Lichtleiters 75 kann nun ein siebter Lichtstrahl 76 in axialer Richtung auf den Kern 71 geleitet werden, um die Leuchtkörper 73 zum Aussenden diffusen Lichts zu veranlassen.A measuring body 70 is attached to the lower end of the light-guiding body 63 , which is of uniform design over its cross section, and is divided over its cross section into a core 71 into a jacket 72 . Luminous bodies 73 are in turn embedded in the core 71 . The measuring body 70 borders with an end face 74 on the underside of the light-guiding body 63 . Using a light guide 75 guided axially through the sensor plate 66 , a seventh light beam 76 can now be guided in the axial direction onto the core 71 in order to cause the luminous bodies 73 to emit diffuse light.

Alternativ hierzu kann auch ein achter Lichtstrahl 77 in radialer Richtung auf den Meßkörper 70 gerichtet werden, beispielsweise indem man einen geeigneten abgewinkelten Lichtleiter durch das Medium 62 führt.As an alternative to this, an eighth light beam 77 can also be directed in a radial direction onto the measuring body 70 , for example by leading a suitable angled light guide through the medium 62 .

Bei einer weiteren Alternative kann ein neunter Lichtstrahl 78 auf das untere Ende des Meßkörpers 70 gerichtet werden, indem von der Oberseite des Mediums 62 her ein Lichtstrahl auf einen auf einem Boden 79 des Behälters 61 angeordneten Reflektor 80 gerichtet wird.In a further alternative, a ninth light beam 78 can be directed onto the lower end of the measuring body 70 by a light beam being directed from the top of the medium 62 onto a reflector 80 arranged on a bottom 79 of the container 61 .

Gleichgültig, ob die Leuchtkörper 73 nun mit dem siebten Lichtstrahl 76, dem achten Lichtstrahl 77 oder dem neunten Lichtstrahl 78 angeregt wurden, geben sie ein diffuses Licht ab, das in der erläuterten Weise Kern-Strahlen und Mantel-Strahlen erzeugt. Im Bereich des Meßkörpers 70 werden diese Strahlenarten unter unterschiedlichen Winkeln im Kern 71 bzw. im Kern 71 und im Mantel 72 geführt. An der Stirnseite 74 treten beide Strahlenarten in den insoweit gleichförmigen Lichtleitkörper 63 aus, was jedoch nicht nachteilig ist, weil die beiden Strahlenarten auch im Lichtleitkörper 63 ihre definiert unterschiedlichen Winkelbereiche der Ausbreitungsrichtung einnehmen.Regardless of whether the luminous bodies 73 have now been excited with the seventh light beam 76 , the eighth light beam 77 or the ninth light beam 78 , they emit a diffuse light which generates core rays and cladding rays in the manner explained. In the area of the measuring body 70 , these types of rays are guided at different angles in the core 71 or in the core 71 and in the jacket 72 . On the end face 74 , both types of rays exit into the light guide body 63 , which is uniform in this respect, which is not disadvantageous, however, because the two types of rays also assume their defined different angular ranges of the direction of propagation in the light guide body 63 .

Für eine Trennung der beiden Strahlenarten sorgt der Konus 64, dessen Kegelwinkel 65 mindestens so groß wie der Mantel-Öffnungswinkel 52 in Fig. 4 dimensioniert ist. Dies bedeutet, daß in der Peripherie des Konus 64 nur Mantel-Strahlen ausbreitungsfähig sind, so daß nur diese auf die Mantel-Fotoelemente 68, 68 a fallen.The cone 64 , whose cone angle 65 is dimensioned at least as large as the jacket opening angle 52 in FIG. 4, ensures that the two types of rays are separated. This means that in the periphery of the cone 64 only cladding rays can be propagated, so that only these fall on the cladding photo elements 68, 68 a .

Bei Gelegenheit dieses Ausführungsbeispiels sei zu diesem Mantel-Fotoelementen 68, 68 a noch erläutert, daß diese natürlich auch in Gestalt eines ringförmigen Elementes ausgebildet sein können, um eine höhere Signalausbeute zu erzielen.On the occasion of this embodiment, it should be explained about this jacket photo elements 68, 68 a that these can of course also be designed in the form of an annular element in order to achieve a higher signal yield.

Werden die Signale der Fotoelemente 67 bzw. 68, 68 a aus Fig. 5 in einer Auswerteschaltung ähnlich Fig. 4 ausgewertet, ergibt sich wiederum ein um Umwelteinflüsse bereinigtes Signal, das ein direktes Maß für den Brechungsindex des Mediums 62 nach der weiter vorne genannten Gleichung oder ein unmittelbares Maß für andere Parameter des Mediums 62, z. B. dessen Dichte ρ oder dessen Druck p ist, sofern die Abhängigkeit dieser Parameter vom Brechungsindex bekannt ist. If the signals of the photo elements 67 and 68, 68 a from FIG. 5 are evaluated in an evaluation circuit similar to FIG. 4, there is again a signal adjusted for environmental influences, which is a direct measure of the refractive index of the medium 62 according to the equation mentioned above or an immediate measure of other parameters of the medium 62 , e.g. B. its density ρ or its pressure p , if the dependence of these parameters on the refractive index is known.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 dient der Sensor als Füllstandssensor 85. Ein Meßkörper 86 durchsetzt den Behälter 61 in diesem Fall über seine gesamte lichte Höhe, innerhalb der ein Füllstand h variieren kann. Der Meßkörper 86 weist wiederum einen mit Leuchtkörpern dotierten Kern 87 und einen Mantel 88 in der bereits beschriebenen Weise auf. Auch die Anregung der diffusen Strahlung kann auf eine der zu Fig. 5 beschriebenen Weise erfolgen.In the exemplary embodiment in FIG. 6, the sensor serves as a fill level sensor 85 . In this case, a measuring body 86 passes through the container 61 over its entire clear height, within which a fill level h can vary. The measuring body 86 in turn has a core 87 doped with luminous bodies and a jacket 88 in the manner already described. The diffuse radiation can also be excited in one of the ways described for FIG. 5.

Das Medium 62 in Fig. 6 muß in Abweichung zu den Darstellungen der Fig. 1 bis 3 einen größeren oder gleich großen Brechungsindex als der Mantel 88 aufweisen. Dies bedeutet, daß über die Höhe des Mediums 62 aller Mantel-Strahlen in das Medium 62 ausgeleitet werden, weil dann an der Grenzfläche zwischen Mantel 88 und Medium 62 keine Totalreflektion auftreten kann. Das an Mantel-Fotoelementen abnehmbare Signal erfaßt daher nur solche Mantel-Strahlen, die im Bereich oberhalb des Füllstandes h auch im Mantel 88 ausbreitungsfähig sind. Auch in diesem Falle wird wiederum durch Verknüpfung mit dem Signal der Kern-Strahlen, die von alldem unbeeinflußt sind, eine Elimination von Umwelteinflüssen, insbesondere der Temperatur, erreicht.In contrast to the illustrations in FIGS. 1 to 3, the medium 62 in FIG. 6 must have a refractive index that is greater than or equal to that of the jacket 88 . This means that over the height of the medium 62 all sheath rays are conducted into the medium 62 , because then no total reflection can occur at the interface between the sheath 88 and the medium 62 . The signal which can be taken off from jacket photo elements therefore only detects those jacket rays which can also propagate in jacket 88 in the region above fill level h . In this case, too, an elimination of environmental influences, in particular the temperature, is achieved by linking to the signal of the core rays, which are unaffected by all of this.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 dient der Sensor als Temperatursensor 90. Ein Meßkörper 91 mit Kern 92 und Mantel 93 ist bei diesem Ausführungsbeispiel abweichend so ausgestaltet, daß die Leuchtkörper als elektrische Leuchtkörper 95 im Kern 92 ausgebildet sind, die über ein Anschlußkabel 96 mit Energie versorgt werden können. Das von den elektrischen Leuchtkörpern 95 diffus ausgestrahlte Licht erzeugt jedoch ebenfalls in der bereits mehrfach geschilderten Weise Kern- und Mantel-Strahlen. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Temperatursensors 90 ist vorausgesetzt, daß die Brechungsindizes n _K und n _M von Kern 92 und Mantel 93 einen unterschiedlichen, jedoch wohl-definierten Temperaturkoeffizienten aufweisen. Wird nun der Sensorkörper 91 von einem Medium 94 einer unbekannten Temperatur T umgeben oder umströmt, so kann aus der Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes ein Meßsignal abgeleitet werden.In the exemplary embodiment in FIG. 7, the sensor serves as a temperature sensor 90 . In this exemplary embodiment, a measuring body 91 with a core 92 and a jacket 93 is designed differently so that the lighting bodies are designed as electrical lighting bodies 95 in the core 92 , which can be supplied with energy via a connecting cable 96 . However, the light emitted diffusely by the electric luminous bodies 95 also generates core and cladding rays in the manner already described several times. In this exemplary embodiment of the temperature sensor 90 it is assumed that the refractive indices n _K and n _M of the core 92 and the cladding 93 have a different, but well-defined temperature coefficient. If the sensor body 91 is now surrounded or surrounded by a medium 94 of an unknown temperature T , a measurement signal can be derived from the knowledge of the temperature dependence of the refractive indices.

Schließlich zeigt Fig. 8 noch ein Ausführungsbeispiel eines Kraft/Wegsensors 100 mit einem langgestreckten Meßkörper 101 mit Kern 102 und Mantel 103, wobei der Meßkörper 101 als Biegebalken beispielsweise einseitig eingespannt ist.Finally, FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a force / displacement sensor 100 with an elongated measuring body 101 with core 102 and jacket 103 , the measuring body 101 being clamped on one side, for example, as a bending beam.

Wirkt eine Kraft F auf das freie Ende des einseitig eingespannten Meßkörpers 101, so lenkt die Kraft F das freie Ende um eine Strecke s aus der Ruhelage aus.If a force F acts on the free end of the measuring body 101 clamped on one side, the force F deflects the free end by a distance s from the rest position.

Bekanntlich unterliegen bei einer Auslenkung eines Biegebalkens die einzelnen Volumenabschnitte des Biegebalkens einer Formänderung, was sich beim Meßkörper 101 in einer Variation der Krümmung der Grenzflächen im Bereich der zu durchlaufenden Wegstrecken für die Kern-Strahlen und die Mantel-Strahlen auswirkt. Man kann daher aus den mit dem Sensor 100 ermittelten Meßsignalen durch Umrechnung mit den bekannten Formeln für den Biegebalken entweder die Strecke s oder die Kraft F bestimmt.As is known, when a bending beam is deflected, the individual volume sections of the bending beam are subject to a change in shape, which has an effect on the measuring body 101 in a variation in the curvature of the interfaces in the region of the distances to be traversed for the core rays and the cladding rays. One can therefore determine either the distance s or the force F from the measurement signals determined by the sensor 100 by conversion using the known formulas for the bending beam.

Claims

1. Sensor for converting physical quantities (s; n; ρ ; p; h; T; F) into an electrical signal (S) with a light-guiding measuring body ( 40; 70; 86; 91; 101 ), which has spatially distributed luminous bodies ( 43; 73; 95 ) is provided, from which light rays ( 13, 16, 20, 31; 46, 47 ) emanate in a diffuse distribution, depending on the physical quantity (s; n; ρ ; p; h; T ; F) emerge at interfaces ( 14, 21 ) of the measuring body ( 40; 70; 86; 91; 101 ) or are totally reflected, the totally reflected light beams ( 13, 20; 46, 47 ) on the end face ( 50; 74, 81 ) of the measuring body ( 40; 70; 86; 91; 101 ) are coupled out and fall onto photosensitive elements ( 56, 57; 67; 68 ), the output signal of which is converted into the electrical signal (S) , characterized in that the measuring body ( 40; 70; 86; 91; 101 ) a light-guiding core ( 12; 41; 71; 87; 92; 102 ) with a first refractive index (n _K ) and a light-guiding sheath ( 11; 42; 7 ) surrounding the core 2; 88; 93; 103 ) of a second refractive index (n _M ), the first refractive index (n _K ) being greater than the second refractive index (n _M ) and this in turn being greater than a third refractive index (n _A ) of one of the cladding ( 11; 42; 72; 88; 93; 103 ) surrounding outer space ( 10 ) is that the core ( 12; 41; 71; 87; 92; 102 ) is provided with the luminous elements ( 43; 73; 95 ), and that by total reflection on a core / Sheath interface ( 14 ) in the core ( 12; 41; 71; 87; 92; 102 ) guided first light beams ( 13; 46 ) separated from total reflection at a sheath / exterior interface ( 21 ) in the sheath ( 11; 42; 72; 88; 93; 103 ) and second light beams ( 20; 47 ) guided in the core ( 12; 41; 71; 87; 92; 102 ) are coupled out of the end face ( 50; 74; 81 ) and separate photosensitive elements ( 56, 57; 67, 68 ) are supplied.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the measuring body ( 70; 86; 91; 101 ) on the end face ( 74 ) is connected to an elongated light-guiding body ( 63 ) which extends to an opposite end face ( 81 ) below an angle ( 65 ) which corresponds at least to the critical refractive angle ( α _tMA ) at the interface ( 21 ) between the jacket ( 72; 88; 93; 103 ) and the exterior ( 10 ) and that the photosensitive elements ( 67, 68 ) the further end face ( 81 ) are arranged.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the luminous bodies ( 43; 73 ) are luminescent bodies.

4. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the luminous bodies ( 43; 73 ) are scattering bodies.

5. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the luminous elements ( 95 ) are electrical luminous elements.

6. Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that a quotient ( 58 ) for forming the quotient from the output signals of the photosensitive elements ( 56, 57; 67, 68 ) is provided.

7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring body ( 40; 70; 86; 91; 101 ) is prismatic and that a photosensitive element ( 56; 67 ) at an axial distance from the center of the end face ( 50 ; 81 ) and at least one further photosensitive element ( 57; 68 ) are arranged radially and axially spaced from the center.

8. Sensor according to claim 7, characterized in that the further photosensitive element ( 57; 68 ) is shown as a ring element.

9. Sensor according to claim 7 or 8, characterized in that an annular cover ( 69 ) is arranged between the central photosensitive element ( 56; 67 ) and the further photosensitive element ( 57; 68 ).

10. Sensor according to one of claims 1 to 4 and 6 to 9, characterized in that the physical variable is a distance (s) , that the measuring body ( 40 ) is elongated and provided with a jacket ( 42 ) and that a light beam ( 44 ) falls in the radial direction at an axial distance of the distance (s) from a radial reference plane ( 45 ) onto the measuring body ( 40 ) and there excites the luminous bodies ( 43 ) for diffuse light emission.

11. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the physical quantity is a refractive index (n) , a density ( ρ ) or a pressure (p) of a medium ( 62 ) filling the outer space ( 10 ), and that the measuring body ( 70 ) adjoins the medium ( 62 ) with the surface of the jacket ( 72 ).

12. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the physical quantity is a fill level (h) of a medium ( 62 ) partially filling the outer space ( 10 ) and that the measuring body ( 86 ) as a function of the fill level (h) with part of the surface of its jacket ( 88 ) adjacent to the medium ( 62 ).

13. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the physical variable is a temperature (T) , that the measuring body ( 91 ) of a medium ( 94 ) filling the outside space ( 10 ) of the temperature (T) to be measured is surrounded and that the refractive indices (n _K , n _M ) of the core ( 92 ) or of the cladding ( 93 ) have a defined, different temperature coefficient.

14. Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the physical quantity is a force (F) or a distance (s) , and that the measuring body ( 101 ) is designed as a thin, elongated body, arranged as a bending beam and by the force (F ) can be deflected a path (s) .