DE3882784T2 - Faseroptischer Sensor. - Google Patents

Faseroptischer Sensor.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft optische Sensoren und im speziellen Sensoren, in denen ein zu messender variabler Parameter das entlang eines Lichtwellenleiters übertragene Licht beeinflußt.
  • Es ist bekannt, daß bei der Krümmung eines Lichtwellenleiters über eine bestimmte Menge hinaus ein Teil des dadurch übertragenen Lichtes durch die Leiterwände verlorengeht. Dieses Phänomen ist als Mikrokrümmung bekannt und wird in Zusammenhang mit optischen Nachrichtengeräten als unvorteilhaft angesehen, da es zu einer unerwünschten Verringerung der Amplitude optischer Signale führt.
  • Ein bekannter Vorrichtungstyp setzt die Mikrokrümmung als Basis für einen optischen Druckmeßwertgeber ein. Monochromatisches Licht wird entlang eines Lichtwellenleiters übertragen, und die Intensität des am anderen Ende des Leiters hervortretenden Lichtes wird mit einem Detektor, wie z.B. einem CCD (Ladungsspeicherelement), überwacht. Ein auf den Leiter wirkender Druck bewirkt, daß es durch Mikrokrümmung zu einem Lichtverlust kommt, und das Ausgangssignal vom CCD wird demgemäß reduziert oder sogar beseitigt. Auf diese Weise wird ein Druck erfaßt und die Vorrichtung kann zur Konstruktion einer "Druckmatte" verwendet werden, die ein Signal abgibt, wann immer sie belastet wird.
  • Darüberhinaus ist eine Vorrichtung (EP-A-O 172 328) bekannt, die einen variablen Parameter überwachen kann und die eine polychromatische Lichtquelle, einen Detektor und einen Lichtwellenleiter zur Übertragung des Lichtes von der Quelle zu dem Detektor umfaßt, wobei der Lichtwellenleiter so angeordnet ist, daß eine Änderung des zu messenden Parameters eine Bewegung des Lichtwellenleiters zum Variieren der Menge an Mikrokrümmung und somit des Teils des polychromatischen Lichtes bewirkt, der nicht mehr durch den Lichtwellenleiter begrenzt wird, wobei der Detektor auf die Erfassung der Intensität des vom Lichtwellenleiter mit einer Wellenlänge oder einer Mehrzahl verschiedener Wellenlängen übertragenen polychromatischen Lichtes eingestellt ist, und wobei eine Analysevorrichtung vorgesehen ist, die den Ausgang des Detektors in bezug auf den zu messenden Parameter auswerten kann.
  • Dieses bekannte System beruht somit im wesentlichen auf der Messung der Intensität des mit einer Wellenlänge oder mehreren spezifischen Wellenlängen übertragenen Lichtes.
  • Ein ähnliches Verfahren, das die Messung der übertragenen Lichtintensität beinhaltet, ist in der JP-A-60- 219503 veröffentlicht, wobei Lichtwellenleiter spiralförmig um die Außenfläche eines verformbaren Objektes gewikkelt sind. In diesem Fall wird das Ausmaß des Lichtübertragungsverlustes erfaßt, wenn das Objekt, und folglich der Lichtwellenleiter, verformt wird.
  • Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu diesen letztgenannten bekannten Vorrichtungsarten zur Messung eines variablen Parameters bereitzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Detektor wenigstens ein erstes und ein zweites photoempfindliches Element auf, wobei sich die Empfindlichkeit in bezug auf die Wellenlänge des ersten der genannten Elemente von der des zweiten Elementes unterscheidet, und eine Analyseeinrichtung zum Empfangen von Signalen von den photoempfindlichen Elementen und zum Errechnen der Farbe des von dem Lichtwellenleiter übertragenen und durch zwei oder mehr Parameter auf dem Chromazitätsdiagramm (CIE) dargestellten polychromatischen Lichtes aus diesen Signalen von den photoempfindlichen Elementen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung eines variablen Parameters bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte: Leiten von polychromatischem Licht entlang eines Lichtwellenleiters, Anordnen des Lichtwellenleiters auf eine solche Weise, daß eine Änderung des zu messenden Parameters eine Bewegung des Lichtwellenleiters zur Variierung der Menge an Mikrokrümmung bewirkt, so daß der Teil des polychromatischen Lichtes, der nicht mehr durch den Lichtwellenleiter begrenzt wird, variiert wird, und Erfassen des übertragenen polychromatischen Lichtes mit einem Detektor, der wenigstens ein erstes und ein zweites photoempfindliches Element aufweist, wobei sich die Empfindlichkeit auf die Wellenlänge des ersten der genannten Elemente von der des zweiten Elementes unterscheidet, Errechnen der Farbe des übertragenen polychromatischen Lichtes gemäß Darstellung von einem oder mehreren Parametern auf dem Chromazitätsdiagramm (CIE) aus dem Ausgang des ersten und zweiten photoempfindlichen Elements, und Auswerten der Farbe des übertragenen polychromatischen Lichtes in bezug auf den zu messenden Parameter.
  • Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Vorrichtungen nach dem bekanntem Stand der Technik, die lediglich die Amplitude des optischen Signals oder die Intensität von speziell ausgewählten Wellenlängen messen, wird mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Hinweis auf die Farbveränderung des vom Lichtwellenleiter übertragenen Lichtes erhalten. Nach dem Krümmen des Lichtwellenleiters strömen gewisse Wellenlängenkomponenten des polychromatischen Lichtsignals durch die Leiterwände aus, wohingegen andere Wellenlängenkomponenten weiterhin durch den Leiter begrenzt werden. Auf diese Weise wird die Farbe des vom Lichtwellenleiter übertragenen Lichtes nicht nur durch seine Intensität, sondern auch durch Mikrokrümmung verändert.
  • In einer praktischen Anordnung werden zwei verschiedene photoempfindliche Elemente eingesetzt, wobei jedes über eigene Wellenlängenempfindlichkeitsmerkmale verfügt.
  • Alternativ beinhaltet eines der photoempfindlichen Elemente oder beide einen farbigen Filter, um die Eigenschaft der Spektralempfindlichkeit zu verleihen, wodurch bei Bedarf zwei identische photoempfindliche Elemente eingesetzt werden können. Vorzugsweise deckt die Empfindlichkeit in bezug auf Wellenlängen-/Intensitätskurven wenigstens einen Teil des Wellenlängenspektrums.
  • Durch den Einsatz von wenigstens einem ersten und zweiten photoempfindlichen Element wird eine Farbveränderung ermittelt, indem die Veränderung innerhalb eines ausgewählten Teils des Spektrums insgesamt beurteilt (Farbmodulation) und nicht nur an zwei oder mehr ausgewählten Wellenlängen erfaßt wird (Wellenlängenmodulation). Eine Veränderung von Farbe A (dargestellt durch Wellenlängen-/Intensitätskurve A) nach Farbe B (dargestellt durch Wellenlängen-/Intensitätskurve B) wird somit aus dem Bereich zwischen den beiden Kurven errechnet, wodurch eine vollständigere Analyse der "tatsächlichen" Farbe erhalten wird. Die Wellenlängenmodulation ist unkomplizierter, da hier der Kurvenabstand von zwei oder mehreren ausgewählten Wellenlängen errechnet wird.
  • Der Begriff "polychromatisches Licht" bezeichnet hierin jede beliebige Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen und soll im speziellen sichtbares Licht und Infrarotstrahlung umfassen. Der Begriff "Farbe", der hierin zum leichteren Verständnis verwendet wird, sollte unter keinen Umständen voraussetzen, daß ausschließlich sichtbares Licht eingesetzt werden kann. In Bereichen, in denen die Vorrichtung eine Quelle einsetzt, die Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums emittiert, bezieht sich der Begriff "Farbe" auf die spektrale Verteilung der Strahlung.
  • Praktischerweise ist ein Element vorgesehen, gegen das aufgrund einer Änderung des zu messenden Parameters wenigstens ein Teil des Lichtwellenleiters gedrängt wird. In einer Anordnung ist das Element ein in Längsrichtung verlaufender Amboß, neben dem der Lichtwellenleiter angeordnet ist. Verständlicherweise weist der Amboß eine unebene Oberfläche auf, um die Mikrokrümmung zu unterstützen, wenn der Leiter gegen den Amboß gedrängt wird.
  • Der Lichtwellenleiter umfaßt praktischerweise einen in einer ersten Längsrichtung entlang des Ambosses verlaufenden ersten Teil und einen in der entgegengesetzten Längsrichtung entlang des Ambosses zurückkehrenden zweiten Teil. Verständlicherweise sind der erste und zweite Teil des Lichtwellenleiters miteinander verseilt. Alternativ ist der Lichtwellenleiter schraubenförmig auf dem längsverlaufenden Amboß verwunden. Nach einer praktischen Anordnung hat der Amboß die Form eines Zylinders.
  • Praktischerweise ist eine Einrichtung zur Farbmodulierung des Teils des polychromatischen Lichtes vorgesehen, der nicht mehr durch den Lichtwellenleiter begrenzt wird, sowie eine Einrichtung zum Zurückführen des farbmodulierten Lichtes in den Lichtwellenleiter. Dies dient dazu, daß das polychromatische Lichtsignal eine annehmbar hohe Amplitude behält, während sichergestellt wird, daß die Farbsignatur des Lichtes immer noch durch die Mikrokrümmung verändert wird. Praktischerweise weist die Einrichtung zur Farbmodulierung einen farbigen Filter neben dem Lichtwellenleiter auf, und die Rückführungseinrichtung umfaßt eine reflektierende Oberfläche auf der von dem Lichtwellenleiter entfernten Seite des Filters. Der farbige Filter hat praktischerweise die Form einer den Lichtwellenleiter umgebenden Hülse.
  • Die Erfindung wird nun, ausschließlich beispielhaft, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckmeßwertgebers;
  • Fig. 2 eine grafische Darstellung der Mikrokrümmung eines Lichtwellenleiters;
  • Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer alternativen Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckmeßwertgebers;
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckmeßwertgebers;
  • Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • Fig. 6 ein auseinandergezogenes Schaubild einer weiteren alternativen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung von Fig. 5; und
  • Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers.
  • Fig. 1 stellt einen Druckmeßwertgeber dar, umfassend einen Lichtwellenleiter 1, der polychromatisches Licht von einer Quelle 2 zu einem Detektor 3 überträgt. Der Detektor umfaßt zwei photoempfindliche Elemente 4 und 5, deren Signale zur Analyse an einen Mikroprozessor 6 weitergeleitet werden. Der Lichtwellenleiter 1 ruht auf einem Amboß 7, dessen Oberseite mit einem unebenen Material wie z.B. Sandpapier bedeckt ist. Wirkt ein Druck P auf den Leiter 1, unterstützt die unebene Fläche die Mikrokrümmung, die in Fig. 2 näher veranschaulicht wird.
  • Der Druck P bewirkt, daß der Lichtwellenleiter 1, wie in Fig. 2 dargestellt, gebogen wird. Polychromatisches Licht, das wenigstens die Wellenlängenkomponenten λ&sub1; und λ&sub2; beinhaltet, wird durch den Lichtwellenleiter so lange begrenzt, bis die Krümmung des Leiters einen Grenzwinkel erreicht, der es der Wellenlängenkomponente λ&sub1; ermöglicht, durch die Leiterwand zu gelangen. Die Wellenlängenkomponente λ&sub2; wird weiterhin entlang des Lichtwellenleiters 1 reflektiert. Die Wellenlänge λ&sub1; ist jedoch verlorengegangen, wodurch es zu einer Farbveränderung des übertragenen Lichtes kommt.
  • Das von dem Leiter 1 übertragene Licht trifft auf die photoempfindlichen Elemente 4 und 5, die zwei verschiedene Ausgangssignale erzeugen, die vom Mikroprozessor 6 analysiert werden. Der Mikroprozessor 6 errechnet die Farbe des übertragenen Lichtes als zwei Parameter auf dem Chromazitätsdiagramm (CIE) aus den Signalen der photoempfindlichen Elemente 4 und 5. Der Mikroprozessor kann nach Erfassung einer Farbveränderung beispielsweise auf einem Sichtanzeigegerät (nicht dargestellt) anzeigen, daß ein Druck P erfaßt wurde. Soll darüberhinaus die Stärke des Drucks P errechnet werden, so werden die Parameter mit denjenigen verglichen, die in einer in einem Festspeicher des Mikroprozessors gespeicherten Nachschlagtabelle aufgeführt sind, und der entsprechende Druckwert ist erhalten. Die Druckstärke kann dann auf dem Sichtanzeigegerät angezeigt werden.
  • Fig. 3 stellt eine Anordnung dar, bei der der Vorgang der Mikrokrümmung mit Ambossen vereinfacht wird, die sich über- und unterhalb des Lichtwellenleiters 1 befinden. Neben dem sich unter dem Leiter befindenden Amboß 7 überträgt ein ergänzender, oberhalb des Leiters gelegener Amboß 20 den darauf wirkenden Druck P. Der Druck P bewirkt, daß sich der Amboß 20 bewegt bzw. beugt, wobei de Leiter 1 gegen den Amboß 7 gehalten wird, so daß der Vorgang der Mikrokrümmung intensiviert wird.
  • Fig. 4 stellt eine Variation der Vorrichtung von Fig. 1 dar, wobei der Lichtwellenleiter 1 um sich selbst zurückverschlungen ist, so daß sich die Quelle 2 und der Detektor 3 auf derselben Seite des Ambosses 7 befinden. Die ausgehende und zurückkehrende Hälfte des Leiters 1 werden derart miteinander verseilt, daß Schnittstellen 8 entstehen, die den Vorgang der Mikrokrümmung verstärkt unterstützen.
  • Fig. 5 stellt einen Sensor dar, mit einem Amboß in der Form eines Zylinders 9, um den der Lichtwellenleiter 1 schraubenförmig gewunden ist. Der Zylinder kann aus einem Material wie z.B. Kupfer bestehen, das eine verhältnismässig hohe Wärmeausdehnungszahl aufweist. Eine Erhöhung der Temperatur des Zylinders 9 führt dazu, daß sich der Zylinder ausdehnt und einen entsprechenden Druck auf den Lichtwellenleiter 1 ausübt, insbesondere an den Schnittstellen 8. Auf diese Weise wird eine Temperaturveränderung durch Mikrokrümmung in eine Farbveränderung umgewandelt, die von dem Detektor 3 erfaßt wird.
  • Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kann dahingehend angepaßt werden, daß der Stromfluß entlang eines Drahtes 20 gemessen werden kann. In diesem Fall ist der Zylinder hohl und der stromführende Draht wird durch diesen Zylinder geleitet. Der Zylinder ist aus einem Ferromagnetikum gebildet, so daß sich der Zylinder je nach Stärke des vom Stromfluß im Draht 20 erzeugten Magnetfeldes ausdehnt oder zusammenzieht. Wie bereits erwähnt, wird durch jede Ausdehnung ein zur Mikrokrümmung führender Druck auf den Lichtwellenleiter 1 ausgeübt, der vom Detektor 3 als Farbveränderung erfaßt wird. Eine ähnliche Wirkung kann durch den Einsatz eines piezoelektrischen Materials erzielt werden, das sich aufgrund der vom Draht induzierten Spannung ausdehnt oder zusammenzieht.
  • Der in Fig. 6 dargestellte Sensor umfaßt einen zylinderförmigen Amboß 9, um den ein Lichtwellenleiter 1 gewikkelt ist. Amboß und Leiter sind von einer Hülse 10 umgeben, die einen farbigen Glasfilter 11 umfaßt, dessen Aussenseite versilbert ist und eine reflektierende Oberfläche 12 bildet. Nach der Ausdehnung des Zylinders 9 führt die Mikrokrümmung dazu, daß gewisse Wellenlängenkomponenten des Lichtes vom Lichtwellenleiter 1 zur Hülse 10 ausströmen (genauere Darstellung siehe Fig. 7). Aufgrund der Mikrokrümmung strömen die Wellenlängenkomponenten λ&sub1; und λ&sub2; vom Lichtwellenleiter 1 aus, während die Wellenlänge λ&sub3; weiterhin entlang des Lichtwellenleiters reflektiert wird. Die Wellenlängenkomponente λ&sub2; läuft über den Filter, wird von der versilberten Oberfläche 12 reflektiert und gelangt zurück in den Lichtwellenleiter 1. Die Absorptionseigenschaften des Filters 11 sind jedoch derart, daß die Wellenlängenkomponente λ&sub1; geschwächt wird. Das weiterhin entlang des Leiters reflektierte Licht besteht daher aus Wellenlänge λ&sub2; und λ&sub3;, die Farbe wurde jedoch durch die Absorption von Wellenlänge λ&sub1; verändert. Auf diese Weise wird dem polychromatischen Licht eine Farbsignatur verliehen, und die Verringerung der Amplitude der Signalstärke wird gelindert.
  • Fig. 8 stellt einen Temperaturfühler dar, bei dem der Lichtwellenleiter 1 eine Schleife bildet und an den Stellen 14 und 15 an einen Rahmen 13 festgeklemmt ist. Eine Temperaturerhöhung läßt den Leiter ausdehnen. Mit dem Verlängern des Leiters ändert sich auch der Radius der Schleife. Durch die Änderung des Schleifenradius wird die Menge an Mikrokrümmung variiert und eine entsprechende Farbveränderung des von Leiter 1 übertragenen Lichtes verursacht, die vom Detektor 3 erfaßt wird.
  • Andere Anordnungen, bei denen eine Mikrokrümmung in einem Lichtwellenleiter als Reaktion auf eine Parameterveränderung herbeigeführt wird, sind für den Fachmann offensichtlich. Jeder Parameter, der in eine durch Mikrokrümmung verursachte Farbveränderung umgewandelt werden kann, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Messen eines variablen Parameters, umfassend eine polychromatische Lichtquelle (2), einen Detektor (3), einen Lichtwellenleiter (1) zur Übertragung des Lichtes von der Quelle zu dem Detektor, wobei der Lichtwellenleiter (1) so angeordnet ist, daß eine Änderung des zu messenden Parameters eine Bewegung des Lichtwellenleiters zum Variieren der Menge an Mikrokrümmung und somit des Teils des polychromatischen Lichtes bewirkt, der nicht mehr durch den Lichtwellenleiter (1) begrenzt wird, und eine Analyseeinrichtung (6) zum Auswerten des Ausgangs von dem Detektor (3) in bezug auf den zu messenden Parameter, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (3) wenigstens ein erstes und ein zweites photoempfindliches Element (4, 5) aufweist, wobei sich die Empfindlichkeit in bezug auf die Wellenlänge des ersten Elementes (4) von der des zweiten Elementes (5) unterscheidet, und eine Analyseeinrichtung (6) zum Empfangen von Signalen von den photoempfindlichen Elementen (4, 5) und zum Errechnen der Farbe des von dem Lichtwellenleiter (1) übertragenen und durch zwei oder mehr Parameter auf dem Chromazitätsdiagramm (CIE) dargestellten polychromatischen Lichtes aus diesen Signalen von den photoempfindlichen Elementen (4, 5).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element (7) vorgesehen ist, gegen das aufgrund einer Änderung des zu messenden Parameters wenigstens ein Teil des Lichtwellenleiters (1) gedrängt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein in Längsrichtung verlaufender Amboß (7) ist, neben dem der Lichtwellenleiter (1) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) einen in einer ersten Längsrichtung entlang des Ambosses (7) verlaufenden ersten Teil und einen in der entgegengesetzten Längsrichtung entlang des Ambosses (7) zurückkehrenden zweiten Teil umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Teil des Lichtwellenleiters (1) miteinander verseilt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) schraubenförmig auf dem längsverlaufenden Amboß verwunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß die Form eines Zylinders (9) hat.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (11) zur Farbmodulierung des Teils des polychromatischen Lichtes vorgesehen ist, der nicht mehr durch den Lichtwellenleiter begrenzt wird, sowie eine Einrichtung (12) zum Zurückführen des farbmodulierten Lichtes in den Lichtwellenleiter (1).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Farbmodulierung einen farbigen Filter (11) neben dem Lichtwellenleiter aufweist und daß die Rückführungseinrichtung eine reflektierende Oberfläche (12) auf der von dem Lichtwellenleiter (1) entfernten Seite des Filters umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der farbige Filter (11) die Form einer den Lichtwellenleiter umgebenden Hülse (10) hat.
11. Verfahren zur Messung eines variablen Parameters, umfassend die folgenden Schritte: Leiten von polychromatischem Licht entlang eines Lichtwellenleiters (1), Anordnen des Lichtwellenleiters (1) auf eine solche Weise, daß eine Änderung des zu messenden Parameters eine Bewegung des Lichtwellenleiters zur Variierung der Menge an Mikrokrümmung bewirkt, so daß der Teil des polychromatischen Lichtes, der nicht mehr durch den Lichtwellenleiter begrenzt wird, variiert wird, und Erfassen der Intensität des von dem Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen übertragenen polychromatischen Lichtes, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Erfassen des übertragenen polychromatischen Lichtes mit einem Detektor (3), der wenigstens ein erstes und ein zweites photoempfindliches Element (4, 5) aufweist, wobei sich die Empfindlichkeit auf die Wellenlänge des ersten Elementes (4) von der des zweiten Elementes (5) unterscheidet, Errechnen der Farbe des übertragenen polychromatischen Lichtes gemäß Darstellung von einem oder mehreren Parametern auf dem Chromazitätsdiagramm (CIE) aus dem Ausgang des ersten und zweiten photoempfindlichen Elements (4, 5), und Auswerten der Farbe des übertragenen polychromatischen Lichtes in bezug auf den zu messenden Parameter.
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