DE3733549C2

DE3733549C2 -

Info

Publication number: DE3733549C2
Application number: DE3733549A
Authority: DE
Inventors: Peter P. Dr. 8059 Langenpreising De Deimel; Helmut Dr. 8130 Starnberg De Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-10-03
Filing date: 1987-10-03
Publication date: 1989-09-28
Also published as: JPH01102316A; US4848871A; DE3733549A1

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zur Erfassung einer mechanischen Größe mit einer ersten Lichtleitfaser, deren erstes Ende mit einer elektrischen Lichtquelle verbunden ist und aus deren zweitem Ende ein Lichtbündel austritt, das auf einen Reflektor fällt, wobei der Reflektor und das zweite Ende der ersten Lichtleitfaser in Abhängigkeit von der mechanischen Größe relativ zueinander beweglich sind und der Reflektor einen durch diese mechanischen Größe bestimmten Anteil des Lichtbündels in das erste Ende einer zweiten Lichtleitfaser einspeist, deren zweites Ende mit einem photoelektrischen Bauelement gekoppelt ist.

Ein faseroptischer Sensor der o. g. Art ist aus der DE-OS 19 30 111 bekannt und besteht aus zwei, an je einem Ende zusammengeführten Faserbündeln, vor deren gemeinsamer Stirnfläche ein Reflektor mit z. B. dreieckförmiger Fläche vorbeigeführt wird. Auf diese Weise wird Licht, welches aus einem Faserbündel austritt, über den Reflektor in das andere Faserbündel eingespeist, wobei die Gesamtintensität des von allen Fasern empfangenen Lichtes von der Breite der jeweils unmittelbar vor dem Faserbündel befindlichen Reflektorfläche abhängt. Somit sind Bewegungen des Reflektors erkennbar, wobei die Genauigkeit von der Anzahl der Fasern in Faserbündel abhängig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor der o. g. Art zu schaffen, der auf geringste Veränderungen der Meßgröße empfindlich reagiert und dabei weniger Lichtleitfasern als die bekannte Ausführung benötigt.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1a einen faseroptischen Wegsensor mit in gleicher Richtung angeordneten Lichtleitfasern;

Fig. 1b die Spitze der Lichtleitfasern eines Wegsensors gemäß Fig. 1a im Ruhezustand;

Fig. 1c die Spitze der Lichtleitfasern eines Wegsensors gemäß Fig. 1a bei seitlicher Auslenkung;

Fig. 2 einen optischen Wegsensor mit gegeneinander gerichteten Lichtleitfasern und

Fig. 3 einen Sensor zur Erfassung eines Drehwinkels.

Bei dem in Fig. 1a dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Lichtleitfasern 1 und 2 parallel nebeneinander angeordnet und in dieser Position durch eine Halterung 3 fixiert. Die Halterung 3 besteht aus monokristallinem Silizium, in welches zwei parallele V-förmige Längsnuten 4 und 5 durch einen anisotropen Ätzprozeß eingearbeitet wurden. Über die spezielle Formgebung von Ätznuten in monokristallinem Material wird beispielsweise in "Spektrum der Wissenschaft", Juni 1983 berichtet, wobei eine Auswahl der verschiedenen Ätzgruben in Abhängigkeit von der Kristallorientierung der Oberflächen auf S. 41, Bild 4 dargestellt ist. Die Lichtleitfasern 1 und 2 sind in den Längsnuten 4 und 5 beispielsweise durch einen Klebstoff oder durch Klemmung mittels einer zweiten spiegelsymmetrischen Anordnung mit gleichen Längsnuten festgehalten. Die Stirnflächen 1.1 und 2.1 der Lichtleitfasern 1 und 2 sind mit einer elektrischen Lichtquelle 6 bzw. mit einem optoelektrischen Empfänger 7 verbunden. Die jeweils anderen Stirnflächen 1.2 und 2.2 der beiden Lichtleitfasern 1 und 2 sind gegenüber der Faserlängsachse um 45° angeschliffen und verspiegelt. Die 45°-Stirnflächen 1.2 und 2.2 sind nach Art eines 90°-Dachkantenprismas zueinander angeordnet, so daß Licht aus der Lichtleitfaser 1 über die Innenseite der Spiegelschicht 1.2 unter einem Winkel von 90° aus der Lichtleitfaser 1 austreten kann und auf die gegenüberliegende Fläche 2.2 der Lichtleitfaser 2 gerichtet wird. Das so in die Lichtleitfaser 2 eingekoppelte Licht gelangt dann auf den optoelektrischen Empfänger 7 (s. Fig. 1b).

Die Lichtleitfasern 1 und 2 sind im Bereich der 45°-Stirnflächen durch ein Joch 8 mit zwei entsprechend angeordneten Bohrungen, durch die die Lichtleitfasern 1 und 2 hindurchgeführt werden, miteinander verbunden. Mindestens eine der beiden Lichtleitfasern ist dabei innerhalb der zugehörigen Bohrung im Joch 8 längsverschiebbar. Wird nun das Joch 8 durch eine mechanische Größe senkrecht zur Achse der Lichtleitfasern und parallel zur Zeichenebene bewegt, so werden beide Lichtleitfasern im Bereich zwischen der Halterung 3 und dem Joch 8 gekrümmt, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien ein Versatz der beiden Stirnflächen 1.2 und 2.2 ergibt (siehe Fig. lc). Je nach Größe dieses Versatzes verändert sich die Lichtmenge des in die Lichtleitfaser 2 eingekoppelten Lichtes. Entsprechend verändert sich das Ausgangssignal des optoelektrischen Empfängers 7.

Zur Erhöhung der mechanischen Dämpfung dieses faseroptischen Sensors, können die Lichtleitfasern im Bereich der Halterung 3 und der Stirnflächen 1.2 und 2.2 von einer Dämpfungsmasse, wie Silikongummi umgeben sein.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Lichtleitfasern 11 und 12 mit verspiegelten 45°-Stirnflächen 11.2 und 12.2 in einer Halterung 13 derart angeordnet, daß diese Stirnflächen die Seitenflächen eines Prismas mit parallelen Ebenen bilden. Bei entsprechender Ausrichtung der Lichtleitfasern 11 und 12 wird dann Licht von der Lichtleitfaser 11 seitlich in die Lichtleitfaser 12 eingekoppelt und gelangt dort analog zu Fig. 1a auf einen optoelektrischen Empfänger.

Die Halterung 13 besteht aus zwei gleichen Teilen 13.1 und 13.2, in denen jeweils eine V-förmige Längsnut 14 bzw. 15 durch einen anisotropen Ätzvorgang eingearbeitet sind. Zumindest eine der Lichtleitfasern 11 bzw. 12 ist in dieser V-förmigen Längsnuten längsverschiebbar, wobei diese Längsverschiebung durch eine mechanische Größe beeinflußt wird. Da hier die relative Verschiebung der Stirnflächen 11.2 und 12.2 in Richtung der Faserachsen direkt proportional zur Bewegung der Lichtleitfaser ist, ist diese Anordnung noch empfindlicher als diejenige gemäß Fig. 1a, bei der der Versatz der 45°-Stirnflächen bei Auslenkungen des Jochs 8 um die Ru helage relativ klein ist und erst mit zunehmenden Auslenkungen progres siv anwächst.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsen sors sind einer Lichtleitfaser 20 mit einer verspiegelten 45°-Stirnflä che, welche mit einer nicht dargestellten Lichtquelle verbunden ist, nunmehr mehrere Lichtleitfasern 21, 22 und 23 mit verspiegelten 45°-Stirnflächen, analog zu Fig. 2, derart gegenübergestellt, daß, ab hängig vom jeweiligen Drehwinkel der Lichtleitfaser 20, Licht in eine der Lichtleitfasern 21, 22 oder 23 übertreten kann. Die Lichtleitfasern 21 und 22 sind dabei in Bezug auf die Faserachse der Lichtleitfaser 20 exakt gegenüberliegend angeordnet, wo hingegen die Lichtleitfaser 23 um einen Drehwinkel von 90° versetzt zu den Lichtleitfasern 21 und 22 ange ordnet ist. Zur Vermeidung von axialen Verschiebungen der Lichtleitfaser 20 ist diese mit einem Drehlager 24 versehen, welches in einem Gehäuse 26 gehalten bzw. geführt wird. Die einzelnen Lichtleitfasern sind dann analog zu den vorhergenannten Ausführungsbeispielen ebenfalls in V-för migen Nuten der beiden spiegelsymmetrischen Gehäuseteile 25.1 und 25.2 festgehalten bzw. geführt.

Bei Verwendung nur einer lichtabführenden Faser 21, 22 oder 23 können Drehbewegungen der Lichtleitfaser 20 im Bereich von ± 90° von der Position maximaler übergekoppelter Lichtintensität gemessen werden. Der Drehwinkelbereich erhöht sich durch die Verwendung zweier gegenüberlie gender Lichtleitfasern 21 und 22 auf ± 180° wobei unter Verwendung der dritten Lichtleitfaser 23 auch noch der Drehsinn ermittelt werden kann.

Claims

1. Faseroptischer Sensor zur Erfassung einer mechanischen Größe mit einer ersten Lichtleitfaser, deren erstes Ende mit einer elektrischen Lichtquelle verbunden ist und aus deren zweitem Ende ein Lichtbündel austritt, das auf einen Reflektor fällt, wobei der Reflektor und das zweite Ende der ersten Lichtleitfaser in Abhängigkeit von der mechanischen Größe relativ zueinander beweglich sind und der Reflektor einen durch diese mechanischen Größe bestimmten Anteil des Lichtbündels in das erste Ende einer zweiten Lichtleitfaser einspeist, deren zweites Ende mit einem photoelektrischen Bauelement gekoppelt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- das zweite Ende der ersten Lichtleitfaser und das erste Ende der zweiten Lichtleitfaser weisen je eine im Winkel von 45° zur jeweiligen Faserachse angeschliffene und verspiegelte Stirnfläche (1.2, 2.2; 11.2, 12.2) auf,
- der Reflektor ist durch die verspiegelte Stirnfläche (2.2; 12.2) am ersten Ende der zweiten Lichtleitfaser (2) gebildet,
- in einem monokristallinen Substrat (3; 13.1, 13.2) sind zwei eingeätzte, zueinander parallel verlaufende, jeweils zumindest einen Teil je einer der Lichtleitfasern aufnehmende V-förmige Längsnuten vorgesehen,
- in bezug auf die Längsnutrichtung nehmen die beiden verspiegelten Stirnflächen - bei fehlender Einwirkung der mechanischen Größe - die gleiche Lage derart ein, daß sie sich eng benachbart gegenüberstehen.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lichtleitfasern (11, 12; 21, 22) innerhalb der V-förmigen Längsnut (14, 15) in Richtung der Faserachse verschiebbar oder um die Faserachse drehbar ist.

3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (1, 2) an den mit den verspiegelten Stirnflächen versehenen Enden frei und in gleicher Richtung angeordnet sind, wobei diese Enden durch eine Führung (8) mit zwei Bohrungen, innerhalb derer die Lichtleitfasern verschiebbar sind, in konstantem parallelem Abstand gehalten werden und die Führung (8) durch die mechanische Größe senkrecht zur Faserachse verschiebbar ist.