DE3939573A1 - Sensor zur messung von kraeften und hieraus ableitbaren physikalischen groessen - Google Patents

Sensor zur messung von kraeften und hieraus ableitbaren physikalischen groessen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Kräften und hieraus ableitbaren physikalischen Größen.
Bei Sensoren dieser Art, die z. B. zur Messung der Strö­ mungsgeschwindigkeit in Flüssigkeiten oder Gasen einge­ setzt werden, ist es bekannt, einen in die Strömung eintauchenden biegeelastisch verformbaren Widerstands­ körper zu verwenden, dessen Verformung als Maß für die angreifende Widerstandskraft und damit als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird (DE-OS 31 38 985). Zur Ermittlung der Durchbiegung werden dort ver­ schiedene Meßeinrichtungen, wie Dehnungsmeßstreifen oder induktive bzw. kapazitive Meßwertaufnehmer vorge­ schlagen, die einen relativ großen und schweren Wider­ standskörper in der Strömung erfordern. Ein großer Wi­ derstandskörper stellt eine unerwünschte Störung in der auszumessenden Strömung dar und läßt wegen seiner gro­ ßen Masse und Trägheit hinsichtlich der Meßgenauigkeit, -empfindlichkeit und -frequenz bei vielen Anwendungs­ fällen zu wünschen übrig. Weiter wird bei den bekannten Sensoren die fehlende Richtungsdetektion als nachteilig empfunden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Sensor der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, der eine hohe Meßgenauigkeit und -empfind­ lichkeit auch bei schnellen Änderungen in der Meßgröße gewährleistet und die Möglichkeit zur gleichzeitigen Richtungsdetektion bietet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein einseitig an einer Einspannstelle eingespannter, ein­ spannseitig mit einer Lichtquelle verbundener und an seinem freien Ende eine gegenüber der Einspannstelle biegeelastisch auslenkbare Lichtaustrittsstelle aufwei­ sender langgestreckter Lichtleitkörper sowie ein auf die Position des an der Lichtaustrittsstelle des Licht­ leitkörpers austretenden Lichts ansprechender Positions­ detektor vorgeschlagen.
Die Lichtquelle ist vorteilhafterweise als Lichtemis­ sionsdiode (LED), Glüh- oder Gasentladungslampe oder Laserdiode ausgebildet, die zur Störverminderung und zur Intensitätssteigerung auch gepulst betrieben werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Lichtleitkörper einen vorzugsweise biegeela­ stischen Kunststoff- oder Glasstab, insbesondere einen Quarzglasstab oder mindestens eine vorzugsweise biege­ elastische Kunststoff- oder Glasfaser, insbesondere Quarzglasfaser auf. Quarzglas hat zum einen den Vorteil einer hohen Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer Vielzahl gasförmiger und flüssiger Strömungsmittel. Zum anderen können Glasstäbe oder Glasfasern mit sehr klei­ nem Durchmesser und daher kleiner Masse hergestellt werden, so daß der erfindungsgemäße Sensor auch schnel­ len Kraftänderungen zu folgen vermag. Zum Schutz vor einer Zerstörung und zur Steigerung der Siegesteifig­ keit kann der Lichtleitkörper mit einer vorzugsweise als Hüllrohr ausgebildeten Ummantelung oder mit einem Biegeplättchen aus Metall oder Kunststoff versehen wer­ den. Bei Bedarf kann der Lichtleitkörper an seiner Ober­ fläche auch mit einem querschnitts- und/oder gewichts­ vergrößernden Verstärkungsteil bestückt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der im wesentlichen starr ausgebildete Lichtleit­ körper im Bereich zwischen der Einspannstelle und der Lichtaustrittsstelle ein vorzugsweise durch eine Quer­ schnittsverengung gebildetes biegeelastisches Gelenk auf.
Vorteilhafterweise ist der Positionsdetektor als ein­ oder zweiachsige positionsempfindliche Photodiode (PSD), als Photodiodenzeile oder -Array, als Vierquadranten­ diode oder als CCD-Zeile oder -Array ausgebildet. Grund­ sätzlich kann der Positionsdetektor auch mehrere mit Lichtleitern verbundene Photoempfänger, insbesondere Photodioden, aufweisen, wobei die dem Lichtleitkörper zugewandten Lichteintrittsstellen der Lichtleiter line­ ar oder flächig im Abstand nebeneinander angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Positionsdetektor mindestens eine von einem aus der auslenkbaren Lichtaustrittsstelle austretenden Licht­ kegel überstrichene, im wesentlichen punktfömige Photo­ diode zur Messung der auslenkungsabhängigen Lichtinten­ sität auf. Damit ist es möglich, die Position der Licht­ austrittsstelle durch Vergleich der gemessenen Intensi­ tät mit der Intensität in Achsrichtung des Lichtkegels zu ermitteln. Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit kön­ nen hierbei zwei unter einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtete punktförmige Photodioden vorgesehen wer­ den, deren Lichteintrittsstelle gegebenenfalls durch die freien Enden je eines an die Photodioden angekop­ pelten Lichtleiters gebildet sein können.
Zur Verringerung des Fremdlichteinflusses und zur Er­ höhung der Meßempfindlichkeit kann vor den Positionsde­ tektor ein optisches Filter- und/oder eine Fokussie­ rungslinse angeordnet werden. Ebenso kann zur Fokussie­ rung bzw. Erzeugung eines parallelen Lichtstrahls an der Lichtaustrittsstelle des Lichtleitkörpers eine Sel­ foc-Linse oder eine optische Linse angeordnet, bzw. angeschliffen werden.
Um eine Nullpunktseinstellung des Sensors durchführen zu können, wird vorgeschlagen, daß die Einspannstelle des Lichtleitkörpers und der Positionsdetektor relativ zueinander ein- oder zweiachsig verschiebbar sind.
Als weitere Lösungsalternative wird gemäß der Erfindung ein einseitig an einer Einspannstelle eingespannter, ein­ spannseitig mit einem Photodetektor verbundener und an seinem freien Ende eine gegenüber der Einspannstelle bie­ geelastisch auslenkbare Lichteintrittsstelle aufweisen­ der langgestreckter Lichtleitkörper sowie ein als Licht­ quelle mit ortsabhängiger Intensität, Wellenlänge oder Modulation ausgebildeter Positionsgeber vorgeschlagen.
Nach einer dritten Lösungsalternative ist ein einseitig an einer Einspannstelle eingespannter, zumindest im Be­ reich seines gegenüber der Einspannstelle biegeela­ stisch auslenkbaren Endes durch eine Lichtquelle seit­ lich mit Licht beaufschlagbarer langgestreckter Wider­ standskörper sowie ein auf der der Lichtquelle gegen­ überliegenden Seite des Widerstandskörpers angeordne­ ter, auf den Lichtschatten des Widerstandskörpers an­ sprechender Positionsdetektor vorgesehen.
Auch bei den beiden vorstehend aufgeführten Lösungsal­ ternativen können die zur ersten Lösungsalternative an­ gegebenen, in den abhängigen Ansprüchen beanspruchten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sinn­ gemäß angewandt werden.
Der erfindungsgemäße Sensor läßt sich besonders vor­ teilhaft zur Messung von Widerstandskräften in strömen­ den Medien und der daraus abgeleiteten Größen einset­ zen. Insbesondere eignet sich der Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit, der Strömungsrichtung, des Massenstroms oder Durchflusses von strömenden Medi­ en, wobei der Lichtleiter bzw. Widerstandskörper durch das strömende Medium unter elastischer Auslenkung sei­ nes freien Endes angeströmt und die Auslenkung als Maß für die zu messende Größe durch den Positionsdetektor bestimmt wird. Weiter kann bei bekannter Geschwindig­ keit die Zähigkeit des strömenden Mediums bestimmt wer­ den.
Des für die Positionsbestimmung verwendete Meßlicht kann gleichzeitig zur Trübungsmessung oder zur Messung der Konzentration lichtabsorbierender Stoffe (z. B. Farbstoffe) im strömenden Medium verwendet werden, in­ dem die Lichtabsorption im Abstandsbereich zwischen der Lichtaustrittsstelle und dem Positionsdetektor durch Intensitätsvergleich gemessen wird. Die veränderliche Länge der Meßstrecke bei der Durchbiegung des Lichtlei­ ters kann dabei rechnerisch kompensiert werden.
Weiter kann der erfindungsgemäße Sensor zur Messung von Trägheits- und Massekräften und daraus abgeleiteten Größen, wie Beschleunigung, Vibrationsamplitude und -frequenz und/oder Neigung (Inklination) von starren Körpern verwendet werden. Zu diesem Zweck wird die Ein­ spannstelle des Lichtleitkörpers und der Positionsde­ tektor mit dem starren Körper verbunden.
Weiter kann der erfindungsgemäße Sensor zur Messung von Magnetkräften, insbesondere von Magnetfeldern oder elektrischen Strömen verwendet werden, wenn der dem Magnetfeld ausgesetzte Teil des Lichtleitkörpers mit einer magnetischen oder magnetisierbaren Schicht ver­ sehen wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Sensors zur Strömungs­ messung;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines gegenüber Fig. 1 abge­ wandelten Sensors;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Sensors;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Sensors mit Biegege­ lenk;
Fig. 5 ein Schema eines Sensors zur Messung von Träg­ heitskräften an starren Körpern;
Fig. 6 ein Schema eines abgewandelten Sensors zur Strömungsmessung;
Fig. 7 a und b einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch den Lichtleitkörper eines Sensors nach den Fig. 1 bis 6.
Die in der Zeichnung dargestellten Kraftsensoren beste­ hen im wesentlichen aus einem einseitig an einer Ein­ spannstelle 12 mechanisch eingespannten, einspannseitig über eine Lichtquelle 14 mit Licht beaufschlagbaren und an seinem freien Ende eine Lichtaustrittsstelle 16 auf­ weisenden Lichtleitkörper 10 und einem der Lichtaus­ trittsstelle 16 gegenüberliegenden Positionsdetektor 18. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1, 2 und 4 ist die Lichtquelle 14 in unmittelbarer Nähe der Ein­ spannstelle 12 angeordnet, während im Falle der Fig. 3 die Lichtquelle 14 außerhalb der Einspannstelle ange­ ordnet und über einen zusätzlichen Lichtleiter 20 an den Lichtleitkörper 10 angekoppelt ist.
Der Lichtleitkörper 10 besteht im wesentlichen aus einem biegeelastischen Quarzglasstab 22 und einer den Quarzglasstab 22 umgebenden Ummantelung 24 aus Kunststoff oder Metall (vgl. Fig. 7a und b). Am austrittsseitigen Ende 16 des Quarzglasstabs 22 ist bei dem in Fig. 7a gezeigten Ausführungsbeispiel eine kon­ vexe Fläche bzw. Linse 26 zur Fokussierung oder Paral­ lelrichtung des austretenden Lichts angeschliffen. Der langgestreckte Lichtleitkörper 10 ist entweder über seine gesamte Länge (z. B. Fig. 1 und 6) oder an einer durch eine Querschnittsverengung gebildeten Gelenkstel­ le 28 (Fig. 4) biegeelastisch ausgebildet und kann ein gewichts- oder querschnittsvergrößerndes Verstärkungs­ teil 29 tragen.
Als Positionsdetektor 18 kommt beispielsweise eine ein­ oder zweiachsige positionsempfindliche Photodiode (PSD), eine Photodioden- oder CCD-Zeile oder ein Photo­ dioden- oder CCD-Array in Betracht (CCD = charged coup­ led device). Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungs­ beispiel weist der Positionsdetektor 18 mehrere mit Lichtleitern 30 verbundene Photoempfänger 32 auf, wobei die dem Lichtleitkörper 10 zugewandten Lichteintritts­ stellen 34 der Lichtleiter 30 linear oder flächig im Abstand nebeneinander angeordnet sind.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 5 dadurch, daß der Lichtleitkörper 10 einspannseitig mit einem Photodetektor 18′ verbunden ist und an seinem freien, auslenkbaren Ende 16′ eine Lichteintrittsstelle für das von einer Flächenlichtquelle 14′ mit ortsabhän­ giger Intensität oder Wellenlänge emittierte Licht auf­ weist. In Fig. 6 ist schematisch eine keilförmige In­ tensitätsverteilung angedeutet. Selbstverständlich kommen auch andere Verteilungen, wie z. B. eine Gauß′sche Intensitätsverteilung, in Betracht.
Wie insbesondere aus den Fig. 1, 4, 5 und 6 zu ersehen ist, wird der Lichtleitkörper 10 unter der Einwirkung einer Kraft aus seiner Ruhelage mehr oder weniger aus­ gelenkt, wobei die Auslenkung des freien Endes 16, 16′ mit Hilfe des Positionsdetektor 18, 18′ gemessen wird. Auf diese Weise können beispielsweise Widerstandskräfte in strömenden Medien (Fig. 1, 4 und 6), Trägheitskräfte von starren Körpern 36 (Fig. 5) oder - bei Beschichtung des Lichtleitkörpers 10 mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Material - Magnetkräfte sowie daraus abgeleitete physikalische Größen gemessen werden.

Claims (24)

1. Sensor zur Messung von Kräften und hieraus ableit­ baren physikalischen Größen, gekennzeichnet durch einen einseitig an einer Einspannstelle (12) einge­ spannten, einspannseitig mit einer Lichtquelle (14) verbundenen, an seinem freien Ende eine gegenüber der Einspannstelle biegeelastisch auslenkbare Licht­ austrittsstelle (16) aufweisenden langgestreckten Lichtleitkörper (10) und einen auf das an der Licht­ austrittsstelle (16) austretende Licht ansprechen­ den Positionsdetektor (18).
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) als vorzugsweise gepulste Lichtemissionsdiode, Glüh- oder Gasentladungslampe oder Laserdiode ausgebildet ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lichtleitkörper (10) einen vorzugswei­ se biegeelastischen Kunststoff- oder Glasstab (22), insbesondere Quarzglasstab oder mindestens eine vorzugsweise biegeelastische Kunststoff- oder Glas­ faser, insbesondere Quarzglasfaser aufweist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (10) eine vorzugsweise als Hüllrohr ausgebildete Ummantelung (24) oder ein Biegeplättchen aus Metall oder Kunst­ stoff aufweist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen starr aus­ gebildete Lichtleitkörper (10) im Bereich zwischen der Einspannstelle (12) und der Lichtaustrittsstel­ le (16) ein vorzugsweise durch eine Querschnitts­ verengung gebildetes biegeelastisches Gelenk (28) aufweist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor (18) als ein- oder zweiachsige positionsempfindliche Photo­ diode (PSD), als Photodiodenzeile oder -Array, als Vierquadrantendiode oder als CCD-Zeile oder -Array ausgebildet ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor (18) meh­ rere mit Lichtleitern (30) verbundene Photoempfän­ ger (32) aufweist und daß die dem Lichtleitkörper (10) zugewandten Lichteintrittsstellen (34) der Lichtleiter (30) linear oder flächig im Abstand ne­ beneinander angeordnet sind.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor (18) min­ destens eine von einem aus der auslenkbaren Licht­ austrittsstelle (16) austretenden Lichtkegel über­ strichene, im wesentlichen punktförmige Photodiode aufweist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unter einem Winkel von 90° zueinander ausge­ richtete punktförmige Photodioden vorgesehen sind.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Positionsdetektor (18) ein optisches Filter und/oder eine optische Linse angeordnet ist.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lichtaustrittsstelle (16) des Lichtleitkörpers (10) eine optische Linse (26) angeordnet, insbesondere angeschliffen ist.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstelle (12) des Lichtleitkörpers (10) und der Positionsdetektor (18) relativ zueinander verschiebbar sind.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (10) mit mindestens einem querschnitts- und/oder gewichts­ vergrößernden Verstärkungsteil (29) bestückt ist.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekenn­ zeichnet durch eine auf dem Lichtleitkörper (10) angeordnete Schicht aus magnetischem oder magneti­ sierbarem Material.
15. Sensor zur Messung von Käften und hieraus ableit­ baren physikalischen Größen, gekennzeichnet durch einen einseitig an einer Einspannstelle (12) einge­ spannten, einspannseitig mit einem Positionsdetek­ tor verbundenen, an seinem freien Ende eine gegen­ über der Einspannstelle (12) biegeelastisch aus­ lenkbare Lichteintrittsstelle (16′) aufweisenden langgestreckten Lichtleitkörper (10), und einen als der Lichteintrittsstelle (16′) zugewandte Licht­ quelle mit ortsabhängiger Intensität, Wellenlänge oder Modulation ausgebildeten Positionsgeber (14′).
16. Sensor zur Messung von Kräften und hieraus ableit­ baren physikalischen Größen, gekennzeichnet durch einen einseitig an einer Einspannstelle eingespann­ ten, zumindest im Bereich seines gegenüber der Ein­ spannstelle biegeelastisch auslenkbaren Endes durch eine Lichtquelle seitlich mit Licht beaufschlagba­ ren langgestreckten Widerstandskörper und auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite des Wider­ standskörpers angeordneten, auf den Lichtschatten des Widerstandskörpers ansprechenden Positionsde­ tektor.
17. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Messung von Widerstandskräften und da­ raus abgeleiteten physikalischen Größen in strömen­ den Medien.
18. Verwendung des Sensors nach Anspruch 17 zur Messung von Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung, Massenstrom und/oder Durchfluß von strömenden Medi­ en, wobei der Lichtleitkörper bzw. Widerstandskör­ per durch das strömende Medium unter elastischer Auslenkung seines freien Endes angeströmt wird.
19. Verwendung des Sensors nach Anspruch 17 zur Messung der Zähigkeit von strömenden Medien, wobei der Lichtleitkörper bzw. Widerstandskörper durch das strömende Medium unter elastischer Auslenkung sei­ nes freien Endes angeströmt wird.
20. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 17 bis 19 zur Trübungsmessung oder zur Messung der Konzentration lichtabsorbierender Stoffe in strö­ menden Medien, wobei der Lichtleitkörper in das strömende Medium eingetaucht und die Lichtabsorp­ tion im Abstandsbereich zwischen Lichtaustritts­ stelle und Positionsdetektor durch Intensitätsver­ gleich gemessen wird.
21. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Messung von Trägheits- und Massekräften und daraus abgeleiteten physikalischen Größen.
22. Verwendung des Sensors nach Anspruch 21 zur Messung von Beschleunigung, Vibrationsamplitude und -fre­ quenz und/oder Neigung (Inklination) starrer Kör­ per, wobei die Einspannstelle des Lichtleitkörpers und der Positionsdetektor mit dem starren Körper verbunden werden.
23. Verwendung des Sensors nach Anspruch 14 zur Messung von Magnetkräften und daraus abgeleiteten physika­ lischen Größen.
24. Verwendung des Sensors nach Anspruch 23 zur Messung von Magnetfeldern und elektrischen Strömen.
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