DE3720293C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Translation oder Rotation eines zu überwachenden Gegenstandes.

Verschiebungen werden nach gegenwärtiger Technik mit elektrischen Sensoren gemessen, z.B. mit Potentiometern oder induktiven Gebern, wobei elektromagnetische Störungen (EMI) nur durch aufwendige Abschirmung und Filte­ rung zu reduzieren sind. Störunempfindliche (faser)-optische Verfahren (vgl. z.B. B. Culshaw: Optical fibre sensing and signal processing, Peter Peregrinus Ltd. 1984) beruhen entweder auf Phasenmodulation (Interfero­ meter) mit kleinem Meßbereich (Mikrometer) oder auf inkrementalem und daher bei sicherheitskritischen Meßstellen nicht zulässigem Signal, auf Intensitätsmodulation mit entsprechend störanfälligem Analogsignal oder auf Farbcodierung durch ortsabhängige Veränderung eines breitbandigen Lichtspektrums mit Hilfe eines dispersiven Elementes. Ein derartiger Farbsensor erfüllt zwar grundsätzlich die Anforderung an Störsicherheit und Übertragungsqualität, ist aber schwierig zu realisieren.

Nachteile der bisherigen Lösungen waren also, daß elektrische Sensoren empfindlich gegen elektromagnetische Störungen sind und daß optische und faseroptische Sensoren, soweit sie analog arbeiten, empfindlich gegen Pegeländerungen bei Sendern und Empfängern und gegen Änderungen der Eigenschaften (Dämpfung) von Zu- und Ableitung ("Streckenneutralität") sind.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Meßverfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die besonders störunempfindlich sind.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Eine derartige Anordnung kann nicht durch elektromagnetische Interferenzen (EMI) gestört werden, was in besonders sicherheitsrelevan­ ten (z.B. Flugzeugsteuerung) oder elektrisch stark gestörten Bereichen (viele Industrieanlagen) von entscheidendem Vorteil ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil eines Sensors nach dem Prinzip gemäß der Erfindung liegt in seiner Kompatibilität mit den immer weiter verbreiteten Licht­ wellenleitersystemen (Glasfasernetze).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1a eine perspektivische Ansicht einer schwingungsfähigen Struktur gemäß der Erfindung,

Fig. 1b eine perspektivische Ansicht einer weiteren Konfiguration von Vibratoren gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Anordnung der Faser 2 zum Anregen und der Faser 3 zum Registrieren der Schwingungen der Vibratoren,

Fig. 3 ein Schema einer möglichen Ausführungsform des Meßsystems.

Fig. 4a eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit einem beweglichen Band als Staubschutz und

Fig. 4b eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit einem Balg als Staubschutz.

Die Fig. 1a und 1b zeigen zwei Ausführungsformen des erfindungsgemä­ ßen Sensors. Eine Anordnung von schwingungsfähigen Biegeelementen 1 nach Fig. 1 besitzt eine für jedes Element charakteristischen Resonanzfre­ quenz, die entweder über die Geometrie oder über die Massenverteilung definiert wird. Einzelne oder alle Elemente gleichzeitig können zu freien Schwingungen angeregt werden, sei es durch das Gerät, in dem der Sensor Verwendung findet, z.B. durch breitbandiges akustisches Rauschen hoher Intensität im Flugzeug oder gezielt auf optischem Weg durch Beleuchtung mit einer Glasfaser.

In Fig. 2 ist schematisch gezeigt, daß die anregende Faser 2 am besten nahe beim Fußpunkt der Zungen 1 positioniert wird.

Dabei reichen Lichtleistungen von einigen 10 µW aus; bei sehr kleinen Schwingungselementen findet die Anregung bereits über eine Brown′sche Molekularbewegung statt. Mit Laserdioden lassen sich über Glasfasern mehrere Milliwatt übertragen.

Für die aktive Anregung der Schwingungen stehen z.B. marktgängige Stufenindexfasern verschiedener Durchmesser zur Verfügung, die bei Bedarf auch leicht mit zusätzlicher Optik nach dem Stand der Technik versehen werden können (z.B. mit Gradientenindexlinsen). Es ist außerdem möglich, durch geeignete thermische Behandlung der Faserenden direkt linsenähnliche Gebilde anzuschmelzen, was eine billige, zuverlässige und platzsparende Möglichkeit der Strahlformung darstellt.

Detektiert werden diese Schwingungen gemäß der Erfindung durch einen optischen Abtastkopf, der mit dem zu vermessenden Maschinenteil verbun­ den ist.

Die Vibratoren 1 müssen also zu ihrer Eigenfrequenz angeregt werden. Falls dies nicht wie oben erwähnt bereits durch das akustische Rauschen der Umgebung erfolgt, bestehen für die aktive Anregung durch Lichtwel­ lenleiter mehrere Möglichkeiten:

• a) mit Gleichlicht (2 Verfahren)
• a1) Bestehen die Vibratoren 1 aus für die verwendete Lichtwellenlänge transparentem Material, kann durch Aufbringen einer teildurchlässi­ gen Verspiegelung auf der Oberfläche der Vibratoren und der Endfläche der anregenden Glasfaser ein Fabry-Perot-Resonator (vgl. z.B. Bergmann-Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. III Optik, 7. Auflage, S. 339 ff.) hergestellt werden, der beim Einschalten der Beleuchtung für das eingestrahlte Licht durchlässig ist; das Licht dringt daher in eine Zunge 1 ein, die sich durch die thermi­ sche Ausdehnung nach unten biegt. Die Länge des Fabry-Perot-Resona­ tors vergrößert sich dadurch so lange, bis das eingestrahlte Licht reflektiert und nicht mehr von der Zunge absorbiert wird. Die Zunge geht daher in die Ausgangslage zurück. Der gesamte Vorgang kann von neuem beginnen und führt auf diese Weise selbstmodulierend zur Anregung der Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingungselementes.
• a2) In vergleichbarer Weise selbstmodulierend kann die Anregung der Resonanzfrequenz auf elektronischem Wege erfolgen. In einer Anord­ nung, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, sendet eine Lichtquelle (z.B. Diode) 4 zunächst Gleichlicht über eine Glasfaser 2 auf einen Vibrator 1, der das Licht in eine Faser 3 reflektiert. Der breitbandige Verstärker 6 verstärkt nun das vom Photodetektor 5 registrierte Signal, dessen Gleichpegel von unvermeidlichem Rauschen überlagert ist. Die Vibratoren wirken jedoch wie schmalbandige Bandpaßfilter, so daß der Verstärker in sehr kurzer Zeit aus dem Rauschen heraus nur noch die Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwin­ gungselementes verstärkt und damit die Lichtquelle 4 mit der für die Anregung des jeweiligen Vibrators optimalen Frequenz moduliert. Der Frequenzzähler 7, der die eigentlich benötigte Lageinformation zu ermitteln gestattet, kann entweder das Signal des Photodetektors (5) verwenden (wie in Fig. 3) oder auch nach dem Verstärker angeordnet werden.
• b) mit Wechsellicht
  Die Anregung erfolgt durch ein breitbandiges Rechteck- oder Dreieck­ signal oder eine ähnliche geeignete Wellenform, die das Frequenz­ spektrum aller Vibratoren des Sensors umfaßt.
  Die Anregung kann auch durch ein schmales Frequenzband erfolgen, das aber periodisch über den benötigten Frequenzbereich gewobbelt wird.
  Die Anregung kann durch ein schmalbandiges Spektrum erfolgen, welches der Resonanzfrequenz der jeweils beleuchteten Vibratoren nachgeführt wird, was wegen der kontinuierlichen Bewegung des Abtastkopfes möglich ist. Das Anregungsspektrum für einen Vibrator kann auch noch dessen Nachbarn anregen, so daß bei Bewegung die Anregungsfrequenz der Meßfrequenz nachgeführt werden kann.
  Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung des Nachführsignals besteht im Zählen der Reflexionen durch die Oberflächen der Vibratoren bei Verschiebung des Abtastkopfes; dies entspricht dem Verfahren bei einem inkrementalen Sensor nach bekannter Technik, wobei auch eine Erkennung der Bewegungsrichtung durch geeignete Maßnahmen möglich ist.
• c) Steht genügend Licht zur Verfügung, kann man die gesamte Anordnung gleichzeitig beleuchten, so daß die Anregungsfaser 2 entfallen kann. Durch Wobbeln der Lichtmodulationsfrequenz kann man periodisch alle Vibratoren anregen.
• d) Die Technik der integrierten Optik wird in naher Zukunft durch mit der Oberfläche der Vibratoren integrierbare Wellenleiter, Frequenz­ weichen, Absorber usw. noch effizientere Gestaltungsmöglichkeiten erlauben.

Die Messung der Frequenz desjenigen Vibrators, über dem sich der Abtast­ kopf 8 gerade befindet (und damit die eigentliche Ortsmessung) erfolgt wiederum über einen Lichtwellenleiter 3 nach Fig. 2. Für hohe Detek­ tionsempfindlichkeit kann man ein faseroptisches Interferometer nach dem Stand der Technik verwenden, bei ausreichender Schwingungsamplitude genügt aber die direkte Detektion über die Rückreflektion des von Faser 3 angestrahlten Lichts; man kann sogar mit einer Faser anregen und gleichzeitig detektieren.

Da die Frequenzen schrittweise ansteigen, erreicht man durch genügend große Schrittweite Temperaturunabhängigkeit eines derartigen Sensors. Alternativ dazu kann man einen festen Referenzvibrator ständig beobach­ ten und die Frequenz der übrigen Vibratoren auf dessen Frequenz-Tempera­ turverlauf normieren.

Durch verschiedene Anordnungen kann sichergestellt werden, daß durch die Lücke zwischen zwei Vibratoren kein Signalausfall entsteht. Dazu hält man den Spalt zwischen zwei Vibrator-Elementen 1 so schmal, daß das Anregungslichtbündel auf jeden Fall einen Vibrator trifft. Man kann auch immer zwei benachbarte Vibratoren 1 anregen, was allerdings die Ortsauf­ lösung verschlechtert. Man kann alternativ dazu zwei sich auf Lücke gegenüberstehende Reihen von Vibratoren anordnen und mit einem entspre­ chenden zweiten Paar von Anregungs- und Abtastfaser ausstatten. Schließ­ lich kann man bei einer einzelnen Reihe von Vibratoren je ein Paar der Fasern 2 und 3 so gegeneinander versetzen, daß auf jedem Fall ein Meßsi­ gnal erzeugt wird.

Für die Herstellung derartiger Strukturen kann man auf erprobte Techno­ logien zurückgreifen. Vor allem die Technik des anisotropen Ätzens von Silizium wurde, aufbauend auf der Fertigung für die integrierte Elektro­ nik, sehr weit entwickelt, und damit können sehr präzise und komplexe Mikrostrukturen erzeugt werden. Näheres dazu ist z.B.
Hoefflin u.a.: Optically excited micromechanical silicon vibration sensor, 4th International Symposium on Optical and Optoelectronic Applied Science and Engineering, Den Haag 1987;
Venkatesh, Novak: Fibreoptik Detection of Optothermal Vibrations, OFS ′86, Tokyo;
Angell u.a.: Mikromechanik aus Silicium - Spektrum der Wissenschaft - Juni 1983
zu entnehmen. Nicht ganz so vielseitig, aber auch sehr fortgeschritten sind Fertigungsverfahren bei Glasstrukturen.

Der erzielbare Frequenzbereich erstreckt sich von wenigen hundert Hertz bis einige hundert Kilohertz. Die maximale Ortsauflösung beträgt einige Mikrometer, beispielsweise auf einer Struktur nach Fig. 1b mit Silizium­ brücken statt freischwingender Zungen.

Die maximale Abmessung, d.h. der Wegmeßbereich ohne Untersetzung und ohne Stückelung mit Modulen, hängt von den vorhandenen Ausgangsmateria­ lien ab und liegt bei Siliziumkristallen derzeit bei etwa 10 cm.

Ein gewisser Nachteil des Verfahrens liegt, wie bei fast allen optischen Sensoren, im offenen Lichtweg mit der Gefahr der Verschmutzung. Dieses Problem läßt sich weitgehend dadurch lösen, daß man nach Fig. 4a um den eigentlichen Schwingkörper ein dichtschließendes Band 11 legt, bei­ spielsweise aus Metall und mit dem Abtastkopf 8 fest verbindet. Dieses Band in der Art einer Manschette kann dann der Bewegung des Kopfes 8 folgen, indem es um den Sensorkörper herumgleitet; dadurch wird eine weitgehende Abdichtung erreicht. Der Abtastkopf oder das Band werden über eine Stange 9 mit dem bewegten Geräteteil verbunden.

Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit besteht in der Verwendung eines flexiblen Metallbalges 10 etwa nach Fig. 4b, womit eine vollständige Abdichtung erreichbar ist.

Nach dem beschriebenen Prinzip kann auch einen Sensor für Drehbewegungen gebaut werden, indem man Vibratoren geeigneter Geometrie und/oder Massenverteilung im Kreis anordnet.

Je nach geforderter Auflösung benötigt man für einen Sensor unterschied­ liche Frequenzbänder. Bei einer typischen Bandbreite in den bisherigen Experimenten von 25-50 Hz pro Vibrator ergibt sich bei einer Auflösung von 1% des Meßbereiches ein Frequenzhub von rund 2,5 bis 5 kHz, bei 1‰ entsprechend 25-50 kHz. Je nach der technisch insgesamt be­ herrschbaren Bandbreite kann man eine unterschiedlich große Zahl von Sensoren in einem Multiplexsystem betreiben, was einen großen Vorteil im Vergleich zu den meisten anderen Prinzipien optischer Sensoren darstellt.

Vorteile der Erfindung sind besonders darin zu sehen, daß das Meßsignal elektromagnetisch nicht störbar ist (wichtig z.B. für Flugzeugsteuerung, industrielle Sensorik); das Problem der Streckenneutralität tritt wegen der Frequenzcodierung nicht auf; der Sensor kann in Bus- oder Multiplex­ systemen eingesetzt werden; der Sensor erzeugt kein inkrementales, sondern ein eindeutiges, einer Verschiebung zugeordnetes Signal.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Translation- oder Rotation eines zu überwachenden Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine mit dem Gegenstand verbundene und als mikromechanische Struktur ausgebildete lineare oder kreisförmige Anordnung von Biegeelementen relativ zu einem Abtastkopf bewegt, daß die Biegeelemente eine gleichförmig ansteigende Resonanzfrequenz aufweist, in der zumindest die von dem Abtastkopf erfaßten Biegeelemente aktiv oder passiv angeregt schwingen und daß aus der vom Abtastkopf optisch gemessenen Resonanzfrequenz eindeutig die relative Lage von Abtastkopf und zu überwachendem Gegenstand ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen über Lichtwellenleiter in einem Abtastkopf aktiv angeregt und detektiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeelemente mittels Gleichlicht in Schwingungen versetzt werden, wobei wenigstens ein aus für die verwendete Lichtwellenlänge transparentem Material bestehendes Biegeelement an der Oberfläche ebenso wie die Endfläche einer das Licht zuleitenden Glasfaser teildurchlässig verspiegelt ist und derart ein Fabry-Perot-Resonator gebildet wird, dessen Flächenabstand durch die thermische Ausdehnung des Biegeelementes bei Eindringen des Lichtes infolge dessen Absorption im Biegeelement sich so lange vergrößert, bis das eingestrahlte Licht reflektiert wird und das Biegeelement wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt, in der das Licht wieder eindringen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Biegeelement (1) über eine erste Glasfaser (2) zunächst mittels Gleichlicht beaufschlagt wird, dieses Licht in eine zweite Glasfaser (3) reflektiert und das daraus gewonnene, sich infolge der Bandpaßwirkung des Biegeelementes schnell aus dem Rauschen heraus bildende und verstärkte Signal zur Modulation der Lichtquelle mit der für das jeweilige Biegeelement optimalen Frequenz verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Biegeelemente mit Wechsellicht mittels eines breitbandigen Dreiecks- oder Rechteckssignals erfolgt, das das Frequenzspektrum aller Biegeelemente umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Biegeelemente mit Wechsellicht mittels eines schmalbandigen Signals erfolgt, das den Frequenzen der Biegeelemente nachgeführt oder periodisch über das Frequenzspektrum aller Biegeelemente gewobbelt wird.

7. Vorrichtung zur Messung der Translation oder Rotation eines zu überwachenden Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer mit dem Gegenstand verbundenen und als mikromechanische Struktur ausgebildeten linearen oder kreisförmigen Anordnung von Biegeelementen besteht, die relativ zu einem Abtastkopf bewegbar ist, und daß die Biegeelemente eine gleichförmig ansteigende Resonanzfrequenz aufweisen, in der zumindest die von dem Abtastkopf erfaßten Biegeelemente aktiv oder passiv angeregt schwingen und daß zur eindeutigen Ermittlung der relativen Lage von Abtastkopf zum überwachendem Gegenstand aus der vom Abtastkopf optisch gemessenen Resonanzfrequenz eine elektronische Vorrichtung (4, 5, 6, 7) vorgesehen ist.