DE3942547A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer physikalischen groesse mit hilfe eines faseroptischen sensors unter ausnutzung des faraday-effekts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung einer physikalischen groesse mit hilfe eines faseroptischen sensors unter ausnutzung des faraday-effekts

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einem faser­ optischen Sensor, der ein optisch transparentes ferro­ magnetisches Material mit hoher Verdet-Konstante aufweist und im Betrieb den Faraday-Effekt ausnutzend einem Magnet­ feld ausgesetzt wird, in welchem auch das zu bestimmende Objekt gelegen ist, dessen zu messende physikalische Größe durch den Sensor ermittelt wird.
Aus "Measurements of YIG crystal characteristics for the design of optical magnetic field sensors", Königliches Technologie-Institut, Stockholm, 1984 - Holm/Sohlström, ist ein faseroptisches Meßverfahren bekannt, bei welchem faseroptische Sensoren einem Magnetfeld ausgesetzt werden, um den Faraday-Effekt auszunutzen.
Der Faraday-Effekt besagt, daß eine Drehung der Pola­ risationsebene erfolgt, wenn linear polarisiertes Licht parallel zu den Kraftlinien durch einen lichtdurchläs­ sigen Körper hindurchtritt, der in ein magnetisches Feld gebracht wird.
Es gilt für dia- bzw. paramagnetische Materialien:
ΔΦ = V · l · B,
wobei
ΔΦ = (Drrehwinkel der Polarisationsebene),
V = Verdet-Konstante,
l = optische Weglänge im dielektrischen Medium,
B = magnetische Induktion
Bei ferro- (ausschließlich parallele Spins) und bei ferri­ magnetischem (teilweise antiparallele Spins) Material ist dagegen ein linearer Zusammenhang zwischen der Weglänge l, der magnetischen Induktion B und dem Drehwinkel Φ nicht mehr gegeben, so daß von einer Verdet "Konstante" nicht mehr gesprochen werden kann.
Ein wichtiger Grund dafür liegt in der Zellenstruktur ferro­ bzw. ferrimagnetischen Materials (Weiß'sche Bezirke). In­ nerhalb einer Zelle bzw. Domäne sind die Spins einheitlich ausgerichtet. Dadurch erfolgt eine starke Bündelung des ma­ gnetischen Moments innerhalb einer Domäne. Die Orientierung dieser mikroskopischen Magnete ist durch den Kristallaufbau gegeben und erfolgt entlang den sog. Richtungen leichter Magnetisierung. Die Reaktion einer Domäne auf ein äußeres Magnetfeld reicht von einer flexiblen Anpassung der Spin­ orientierung über Ausdehnung und Schrumpfen von Domänen mit "passender" bzw. "unpassender" Orientierung bis zum schlag­ artigen Umklappen der Spinorientierung einer Domäne in die Richtung des äußeren Magnetfelds. Es leuchtet ein, daß sich dieses inner Magnetfeld dann sprunghaft mit einem äußeren Magnetfeld ändert und dies massive Auswirkungen auf den Farraday-Effekt hat, ebenso wie die bei beginnender einheit­ licher Spinorientierung aller Domänen eintretende Sättigung.
Auf der anderen Seite bewirkt gerade die starke Bündelung der magnetischen Momente ein sehr hohes inneres Magnetfeld, das wiederum eine starke Drehung der Polarisationsebene be­ wirkt. Da aber, wie oben erklärt, der lineare Zusammenhang nicht mehr existiert, wird im folgenden die Verdet-Konstante als Drehrate bezeichnet.
Aus der Literatur is bekannt, daß die Drehrate von ferri­ magnetischen Materialien (ferromagnetische sind im allge­ meinen nicht transparent) um mehr als den Faktor 1000 über den von dia- bzw. paramagnetischen Material (z. B. Glas) liegt.
Erst die Verwendung solcher Materialien gestattet es, hin­ reichend kompakte Sensorabmessungen zu erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, welche(s) mit Hilfe einfacher Mittel die Nachteile der Zellenstruktur ferrimagnetischer Materialien vermeidet und die Empfind­ lichkeit des Meßsystems deutlich erhöht bei gleichzeitiger Beibehaltung der Vorteile eines faseroptischen Meßverfahrens.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundliegende Aufgabe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß an der den faseroptischen Sensorleitungen entfernten Seite des optischen Materials der zugeleitete divergente Licht­ strom reflektiert und durch ein geeignetes optisches Ele­ ment fokussiert wird.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Meß­ vorrichtung verwendet einen faseroptischen Sensor, dessen vorgenannte konvex ausgebildete Stirnseite verspiegelt ist.
Die Reflexion des Lichtstroms im optischen Material sorgt dafür, daß im Vergleich zum vorgenannten Stand der Technik durch Verdopplung der wirksamen optischen Weglänge im op­ tischen Material auch der Drehwinkel der Polarisationsebene verdoppelt und mithin auch die Empfindlichkeit des Meß­ systems zumindest verdoppelt wird bei gleichzeitiger Kompakt­ heit des optischen Materials, insbesondere einem Yttrium- Eisen-Granat.
Außerdem wird dadurch die Zahl der vom Lichtstrahl nach­ einander durchlaufenden Domänen mit unterschiedlicher Orien­ tierung halbiert.
Darüberhinaus werden durch den aufgefächerten Stah­ lengang (vor der Reflexion divergent, danach konvergent) mehrere Domänen quer zur Strahlrichtung durchlaufen. Da hier eine Domäne nur jeweils einen Bruchteil des Licht­ stroms erfaßt, tritt damit ein Mittelungseffekt ein, im Gegensatz zu nacheinander durchlaufenden Domänen. Das "Um­ springen" einer Domäne bewirkt in diesem Fall eine Ände­ rung der Polarisationsdrehung, wobei der Polarisationsgrad erhalten bleibt, während bei transversal angeordneten Do­ mänen die mittlere Polarisationsdrehung erhalten bleibt und sich der Polarisationsgrad ändert.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß zwecks Veränderungen des Drehwinkels der Polari­ sationsebene die wirksame physikalische und mithin auch die wirksame optische Weglänge des optischen Materials bzw. granats verändert wird.
Der faseroptische Sensor kann in zwei Betriebsarten betrie­ ben sein:
Gemäß Anspruch 4 kann ein äußeres Magnetfeld aktiv an den Sensor bzw. an das optische Material ohne Eisenspule angelegt werden. Alternativ kann der Sensor bzw. dessen optisches Material in einen magnetischen Kreis eingebet­ tet sein, wobei der magnetische Kreis entweder durch einen Dauermagneten oder durch einen Elektromagneten gespeist werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird der faseroptische Sensor zur Positionsmessung eines Polrades oder eines Kraftfahr­ zeugrades in einem ABS-System oder ASR-System verwendet, insbesondere nach den Verfahrensmerkmalen gemäß den An­ sprüchen 8 bis 12. Ein derartiges magnetooptisches Meßver­ fahren ist wegen der geschlossenen optischen Lichtführung unempfindlich gegenüber Verschmutzung, und es sind elektro­ magnetische Interferenzen ausgeschlossen. Dadurch ergibt sich in Verbindung mit der großen Meßempfindlichkeit des Systems eine detaillierte Signalauswertung bei ABS- bzw. ASR-Systemen, insbesondere eine wesentlich höhere Geschwin­ digkeitsauflösung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher induktive Meßverfahren vorsieht. Die Geschwindig­ keit kann bis zum Fahrzeugstillstand 0 km/h gemessen und auch die Drehrichtung der Kraftfahrzeugräder festgelegt werden. Polradungenauigkeiten können eliminiert werden. Von Vorteil ist ferner die Möglichkeit der Nacheichung bei Beschädigung oder Ersatz eines Polrads. Insbesondere kann die absolute Radposition erkannt werden (Vermeidung ungleichmäßig abgeschliffener Reifen bei Vollbremsungen) .
Demgegenüber beschränkt bei bekannten induktiven ABS-Meß- Verfahren die von der Drehzahl abhängige Signalamplitude die Signalauswertung auf Zählung lediglich der Nulldurch­ gänge, was insbesondere bei dynamischen Änderungen infolge Beschleunigung und Verzögerung schwierig ist. Im beson­ ders wichtigen Bereich niedriger Fahrzeuggeschwindigkei­ ten ergeben sich bekanntermaßen nahezu verschwindende Signalamplituden, d. h. es dominieren elektromagnetische Störimpulse, die beim magnetooptischen Verfahren nicht vorhanden sind. Eine Induktionsmessung gestattet bei Fahr­ zeugstillstand auch mangels Signal keine Selftest-Möglich­ keit. Bei blockierenden Rädern steht kein Signal, so daß auch kein Differenzsignal gebildet werden kann und Reifen einem ungleichmäßigen Verschleiß unterliegen.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebener faser­ optischer Sensor insbesondere zur analogen Positionsbestim­ mung eines Kraftfahrzeugrades mit Sensor-Zu-/Ableitung und optisch vorgelagertem optischen Material sieht insbe­ sondere vor, daß die der Sensor-Zu-/Ableitung entfernte Stirnseite des optischen Materials verspiegelt ist.
Die faseroptische Zuleitung und die faseroptische Ablei­ tung sind vorzugsweise zu einem gemeinsamen Faserstrang zusammengefaßt, und es ist der Sensor in Axialrichtung in den Eisenkern einer Magnetspule eingebettet, deren magnetischer Feldbereich einem Polrad, insbesondere einem Getrieberitzel, oder einem Kraftfahrzeugrad zugeordnet ist.
Zwischen den faseroptischen Leitungen und dem optischen Material ist in einer Ausführungsvariante jeweils ein linearer Polarisationsfilter angeordnet, die einen ein­ fachen Aufbau besitzen und für eine vollständige Auslöschung sorgen, wenn das Magnetfeld eine Stärke von ±35 mT besitzt. Da die Feldstärke bei einem Vorbeilauf eines dem Magnet­ feld ausgesetzten Zahnes eines Polrades oszilliert, wird auch die im optischen Material reflektierte Lichtmenge moduliert. Während nach herkömmlicher Messung bei ABS-Syste­ men lediglich der Vorbeilauf der Zähne des Polrades durch Zählen der Modulationstäler gezählt wird, erlaubt die Erfindung die Einzelbestimmung auch der Modulationskurve und mithin ein Messen von Zwischenpositionen sowie Bestim­ mung von Unregelmäßigkeiten (auch künstliche für eine Null- oder Richtungs-Bestimmung). Für eine derartige ana­ loge Signalauswertung ist eine Lichtpegelbestimmung vor­ teilhaft.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines faseropti­ schen Sensors sieht vor, daß die faseroptische Zuleitung als polarisationserhaltende optische Faser ausgebildet ist, während wie im vorgenannten Ausführungsbeispiel zwi­ schen faseroptischer Ableitung und optischem Material ein linearer Polarisationsfilter angeordnet ist. Durch Verwendung einer polarisationserhaltenden optischen Faser ergibt sich eine geringere Verlustrate Lichts, da bei Ver­ wendung einer Laserdiode als Lichtquelle das Licht ohnehin bereits weitgehend polarisiert ist. (Die Polarisation geht bei einer gewöhnlichen Faser wieder verloren.)
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer magnetischen Induktion in der Größenordnung von B = ±35 mT ein Yttrium- Eisen-Granat (Y3Fe5O12) in der Größe von ca. d × 2 × 2,5 vorgesehen ist, d. h. ein Granat mit einer wirksamen physi­ kalischen Weglänge l = ca. 2,5 mm, was einer wirksamen optischen Weglänge 2 l = 5 mm entspricht. Dadurch kann bei einem vergleichsweise klein dimensionierten optischen Material eine sehr große physikalische bzw. optische Weg­ länge realisiert werden, was einer Vergrößerung des Polari­ sationswinkels und mithin einer Vergrößerung der Empfind­ lichkeit des Systems entspricht.
Ein magnetooptischer Sensor kann mithin unmittelbar zur Messung von Magnetfeldern und elektrischen Strömen einge­ setzt werden, und zwar mit einem hilfsweise eingeführten Magnetfeld zur Positionsmessung, oder zur Überwachung eines Materialflusses auf Konstanz, soweit mit einer Abweichung ein geändertes magnetisches Verhalten verbunden ist.
Die Erfindung läßt sich nicht nur grundsätzlich bei ABS- oder ASR-Systemen realisieren, sondern beispielsweise auch als Türkontakt ohne bewegliche Teile, als Pedalsen­ sor für E-Gas, für eine Einfederung von Kraftfahrzeug-Fahrerhäusern, bei einem Lampentest im Betrieb (Stromfluß), zur Bestimmung des Regelstangen­ wegs einer Einspritzpumpe eines Motors sowie beispiels­ weise als Näherungsschalter für Schweißroboter (keine el.-magn. Interferenz).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, deren einzige Figur schematisch einen Axialschnitt einer Ausführungsform eines faseroptischen Sensors zeigt, der zur Positionsbestimmung eines Polrades eines ABS-Systems verwendet ist.
Der faseroptische Sensor (1) gemäß Zeichnung umfaßt eine faseroptische Zuleitung (3) und eine faseroptische Ablei­ tung (4), welche in dichter Nachbarschaft zu einem optisch Transparenten ferromagnetischen Material (2) in Form eines Yttrium-Eisen-Granats (Y3Fe2O12) liegen. Zwischen faser­ optischer Zuleitung (3) bzw. faseroptischer Ableitung (4) und dem Yttrium-Eisen-Granat ist jeweils ein einfach aufgebauter Polarisationsfilter (9) angeordnet, welcher den einfallenden Lichtstrom für einen Durchtritt durch das optische Material (2) polarisiert und umgekehrt. Zu­ mindest im Bereich des Endes der faseroptischen Zuleitung (3) und faseroptischen Ableitung (4), d. h. im Bereich der beiden Polarisationsfilter (9), sind Zuleitung (3) und Ableitung (4) zu einem gemeinsamen achsparallelen Faserstrang zusammengefaßt.
Der Yttrium-Eisen-Granat besitzt im Bereich der Polarisa­ tionsfilter (9) eine rechteckige Querschnittsfläche von ca. d × 2 mm und weist eine wirksame physikalische Weglänge l von ca. 2,5 mm auf. (d = optisch effektiver Durchmesser der Lichtleitfasern).
Da der Yttrium-Eisen-Granat einen kubischen (würfelförmi­ gen) Kristallaufbau hat, dessen Richtungen leichter Magne­ tisiserung parallel zu den Würfelkanten liegen, empfiehlt sich eine Teilung des Kristalls in der (l,l,l)-Ebene (parallel) zu den Diagonalen der 3 Seitenflächen). Alle Würfelkanten schließen dann mit der Schnittebene den glei­ chen Winkel ein.
Die dazu parallel orientierten magnetischen Momente ver­ halten sich zu Magnetfeldern senkrecht zur Schnittebene im Sinne des Farraday-Effekts gleich. Allerdings ist noch zu berücksichtigen, daß für jede Orientierung die dazu anti­ parallele (entgegengesetzte) möglich ist, die sich magne­ tooptisch von der ersten unterscheidet.
Die theoretisch - für einen Einkristall - möglichen 6 ver­ schiedenen Orientierungen sind dadurch bereits auf 2 re­ duziert.
Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, indem bei dem - in der Literatur beschriebenen - Sintern des Kristalls bei 1000°C, also weit über der Curie-Temperatur, ein Sätti­ gungsmagnetfeld, das ca. 150 mT entspricht, angelegt und während des Abkühlens unterhalb der Curie-Temperatur bei­ behalten wird. Dies führt zu einem Einfrieren der erzeug­ ten Orientierung der Domänen. Im vorliegenden Fall werden diejenigen bevorzugt, deren Orientierung einen spitzen Winkel zum Magnetfeld aufweist.
Da beim langsamen Abkühlen während des Sinterns keine Vor­ richtungen zum Heizen erforderlich sind, kann der Kristall ohne Probleme nach dem Aufheizen in das vom Sättigungsma­ gnetfeld durchsetzte Volumen gebracht werden.
Nach dem Teilen des Kristalls parallel zur (l,l,l)-Ebene und Polieren kann mit Hilfe von Polarisatoren im Magnet­ feld die Ausdehnung der Domänen in der (l,l,l)-Ebene beob­ achtet werden. Aufgrund der Kristallgeometrie sind bevor­ zugte Richtungen zu erwarten, die miteinander einen Winkel von 60° bzw. 120° bilden.
Mit der Möglichkeit, den Verlauf der Domänen vor der wei­ teren Bearbeitung zu erkennen, können besonders geeignete Flächenstücke mit günstiger Domänenkonfiguration ausgewählt werden. Wie bereits erläutert, sind Strukturen günstig, bei denen die Domänengrenzen möglichst parallel zum künftigen Verlauf der Lichtstrahlen liegen.
Werden die Plättchen des Granats in ihrer Stärke an den Durchmesser der Lichtleitfaser angepaßt und so im Sensor eingebaut, daß die vom Licht durchsetzten Flächen des Plätt­ chens von Luft umgeben sind, dann tritt an der Oberfläche wegen des hohen Brechzahlsprungs Totalreflexion ein und das Licht wird in dem Plättchen zwischen den beiden Deckflächen fortgeleitet, bis es auf die konkav gestaltete und verspie­ gelte Schmalseite des Plättchens trifft.
Auf eine zweidimensionale Krümmung dieser Schmalseite kann verzichtet werden, wenn - wie oben beschrieben - die Stärke des Plättchens an die Lichtleitfaser angepaßt ist, weil hier die Führungsfunktion durch die Totalreflexion gegeben ist. Idealerweise wäre dann die - eindimensionale - Krümmung der Schmalseite ein Stück aus einer Ellipsenkontur, die sich daraus ergibt, daß die Mittelpunkte der Lichtleitfasern als Ellipsenbrennpunkte und die maximale Ausdehnung des Plätt­ chens in der verlängerten Faserrichtung als der kleinere Ellipsenhalbmesser angenommen werden.
Einfacher herzustellen ist meist eine spärische oder - im eindimensionalen - kreisförmige Krümmung. Der optische Feh­ ler ist dann klein, wenn der Krümmungsmittelpunkt zwischen den Fasern liegt und die Fasern eng benachbart sind.
Die der faseroptischen Zu-/Ableitung (3 bzw. 4) abgewandte Stirnseite (5) des optischen Materials (2) ist konvex bzw. kalottenförmig ausgebildet und durch eine aufgedampfte Metallschicht verspiegelt. Die konvexe Spiegelfläche ist so getroffen, daß durch die faseroptische Zuleitung (3) in das dielektrische Material (2) eintretendes polarisiertes Licht zum Eingang der faseroptischen Ableitung (4) reflek­ tiert wird. Insbesondere kann die wirksame physikalische Weglänge l als Radius verstanden werden, dessen Mittel­ punkt zwischen dem Ende der faseroptischen Zuleitung (3) und dem Anfang der faseroptischen Ableitung (4) liegt.
Der faseroptische Sensor (1) ist in den Eisenkern (7) einer Magnetspule (8) in Axialrichtung zentrisch einge­ bettet, wobei die Magnetspule (8) im Betrieb zwecks Er­ zeugung eines Magnetfeldes H an eine Spannung U von z. B. 24 Volt (Bordspannung) angelegt ist.
Das gemäß Zeichnung linke freie Ende der Magnetspule (8) liegt im Bereich eines Polrades (6) eines Kraftfahrzeuges, z. B. eines Getrieberitzels oder dergl., welches auf seinem Umfang Zähne (10) und Lücken (11) besitzt. Infolge der dichten Nachbarschaft des Polrades (6) zum faseroptischen Sensor (1) wird im Betrieb der Magnetspule (8) ein magne­ tischer Kreis erzeugt, welcher bei einem sich drehenden Polrad (6) je nach Vorhandensein eines Zahns (10) im Be­ reich der Magnetspule (8) oder einer Lücke (11) ein ver­ änderliches Magnetfeld erzeugt. Zahn (10) und Lücke (11) des Polrades (6) sind gemäß Zeichnung gleich dimensioniert und weisen eine Tiefe von 5 mm sowie eine Breite von 5 mm auf. Bei einer an das optische Material (2) angelegten magnetischen Feldstärke von 35 mT ergibt sich bei der Ausführungsform gemäß Zeichnung eine relative Magnetfeld­ variation von 1,0 bis 0,37. Es stellt sich ein Polarisations­ winkel Φ von 90° bis 34° ein. Hieraus ergibt sich die Trans­ missionsvariation cos2Φ = 0 bis 70% oder 5% bis 95%. Der Energiebedarf der Magnetspule (8) im Betrieb ist vergleichs­ weise niedrig und beträgt gemäß Ausführungsbeispiel ca. 0,2 Watt.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Positionsbestimmung des Polrades (6) beschrieben:
Schritt 1
Hierbei ist davon auszugehen, daß bauliche Veränderungen am Fahrzeug und insbesondere am Installationsort vermieden wer­ den sollen. Da auch der konventionelle Induktivsensor einen magnetischen Kreis benötigt, der im Rhythmus des vorbeilau­ fenden Polrades modifiziert wird, kann diese Auslegung im Prinzip übernommen werden.
Das bedeutet, daß beide Sensoren in ein ferrogmagnetisches Bauteil (Stahl) eingeschoben werden, das den magnetischen Kreis auf der Außenseite schließt. Dieses Bauteil ist daher in Fig. 1 nicht gezeichnet. Auch die Spulenanordnung kann im Prinzip unverändert bleiben. Allerdings ist das Magnet­ feld auf den optischen Sensor abzustimmen. Im vorliegenden Fall wurden 35 mT gewählt. Dies liegt deutlich unterhalb der Sättigungsmagnetisierung von ca. 150 mT, was zur Vermeidung von Nichtlinearitäten beiträgt.
Da die Versorgungsspannung im allgemeinen gegeben ist, sind Windungszahl und Drahtstärke so zu bestimmen, daß sich das erforderliche Magnetfeld gerade einstellt. Entsprechende Verfahren sind bekannt. Mit ihrer Hilfe wurde der Leistungs­ bedarf der Spulen mit 0,2 W abgeschätzt.
Die relativ geringe erforderliche magnetische Induktion von 35 mT gestattet auch die Verwendung von Permanentmagneten. Hierbei ist günstig, daß der Verlauf der Magnetfeldlinien durch das Sensormaterial nur relativ wenig gestört wird, weil es ebenfalls eine hohe Permeabilität aufweist. Bei der Füh­ rung der Lichtleitfasern ist dagegen darauf zu achten, daß sie nicht in dem "Strang" der Magnetfeldlinien liegen, der auch den Granat durchsetzt. Denn Glas, Quarz und Kunststoffe sind im allgemeinen diamagnetisch, so daß aus ihnen die ma­ gnetischen Induktionslinien herausgedrängt werden.
Die faseroptischen Zuleitungen müssen daher im Bereich des Kristallplättchens schräg zum Feldlinienverlauf verlegt werden.
Schritt 2
Der zentrale Kreis des magnetischen Kreises, der im Eisenkern der Spule geführt wird, erfährt eine Unterbrechung, wenn auf einen Zahn des Polrades eine Lücke folgt. Da die magnetische Permeabilität von Luft um mehr als den Faktor 1000 unter der des ferromagnetischen Stahls bzw. Eisenkerns liegt, wird dadurch der magnetische Widerstand im magnetischen Kreis erhöht, wodurch sich die magnetische Induktion stark verringert. Dies wirkt sich auch am Sensorort aus. Während der konventionelle Induktivgeber jedoch auf die zeitliche Änderung der magnetischen Induktion anspricht, stellt sich die Transmission des faseroptischen Sensors ein in Abhängigkeit von dem Momentanwert der magnetischen Induktion selbst. Eine Abhängigkeit des Signals von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Polrads ist damit nicht gegeben.
Schritt 3
Durch die baulichen Verhältnisse am Polrad: Lücke/Zahn-Verhältnis, Höhe und Breite der Zähne und die Gestaltung des magnetischen Kreises im Sensor ist eine bestimmte Modulation der magnetischen Induktion am Sensorort gegeben. Nimmt man aufgrund der verschiedenen beschriebenen Maßnahmen einen linearen Zusammenhang zwischen Drehung der Polarisationsebene und dem von außen in den Kristall eindringenden Magnetfeld, dann ist die Drehrate in ihrer Wirkung der Verdetkonstante des Faradayeffekts gleichzusetzen. Es gilt dann:
Φmax = V · l · Bmax,
und
Φmin = V · l · Bmin.
Schritt 4
Wie bereits ausgeführt, ist die Modulation Bmax/Bmin im allgemeinen vorgegeben. Aus Gründen der Diagnose ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß bei maximaler Drehung Φmax keine vollständige Auslöschung und bei minimaler Drehung keine vollständige Transmission erfolgt. Da die Transmission am Polarisationsfilter gegeben ist durch
I = I₀ · cos² Φ
kann z. B. aus der Forderung, daß der minimale Lichtstrom Imin=5%, der maximale Lichtstrom 95% betragen soll, für die Winkel: Φmax=77° und Φmin=13° berechnet werden.
Dies bezieht sich auf den Winkel der Polarisationsebene des Lichts zur Orientierung des Polarisators an der ableitenden Lichtleitfaser.
Die Orientierung des Polarisationsfilters an der zuleitenden Faser ist noch wählbar, weil eine Veränderung durch eine längere optische Wegstrecke oder ein geändertes Magnetfeld ausgeglichen werden kann.
Wählt man als Bezug die Orientierung des Polarisationsfilters an der zuleitenden Faser, dann ergibt sich wegen des Verdrehwinkels Φ₀ zwischen beiden Polarisatoren: Φmax=77°+Φ₀ und Φmin=13°+Φ₀.
Ist andererseits, wie bereits beschrieben, das Modulationsverhältnis der magnetischen Induktion vorgegeben, z. B. mit Bmax/Bmin=2,5, dann folgt für die Winkel:
Bmax/Bmin = Φmax/Φmin = 77° + Φ₀/13° + Φ₀ = 2,5
Der Verdrehwinkel Φ₀ ergibt sich daraus zu Φ₀=30°. Die Drehwinkel sind damit Φmax=107° und Φmin=47°.
Ist z. B. bekannt, daß für 35 mT und eine optische Weglänge von 2 mm eine Drehung von ca. 35° erfolgt, so wird durch eine Verlängerung auf 2 · 2,5 mm (Verdopplung des Lichtwegs durch Reflexion) ein Drehwinkel von knapp 90° und durch eine Erhöhung von Bmax von 35 mT auf 43 mT der gewünschte maximale Drehwinkel von 107° erreicht.
Auf diese Weise läßt sich die gewünschte Lichtmodulation auch bei anderen Modulationen der magnetischen Induktion einstellen.
Schritt 5
Der Signalverlauf, der sich für eine ganze Umdrehung des Polrads ergibt, kann - in diskreten Schritten gemessen und digitalisiert - in einem elektronischen Speicher abgelegt werden.
Damit der Diskretisierungsfehler klein wird, sollten Abtastintervalle des Referenzsignals klein gewählt werden. Als hinreichend wird die zehnfache Nyquistfrequenz angesehen, d. h. 3 · 10 Abtastungen pro Zahn und Lücke des Polrads.
Dieses Eichsignal SE kann z. B. am Prüfstand bei langsamer Umdrehung des Polrads gemessen werden, wobei Gleichlaufschwankungen vermieden werden müssen.
Schritt 6
Ebenso kann die Differenz aufeinanderfolgender Werte von SE berechnet und parallel zu den diskretisierten Werten von SE abgespeichert werden. Diese Differenzen des Eichsignals werden mit DE bezeichnet.
Schritt 7
Im späteren Einsatzfall kann das rotierende Rad nicht in konstanten Winkelintervallen abgetastet werden (die ja von der noch unbekannten Winkelgeschwindigkeit abhängen), sondern nur in konstanten Zeitintervallen. Dies ergibt die Signalfolge SR. Auch hier ist Differenzenbildung möglich, die mit DR bezeichnet wird und analog zu SR abgespeichert werden kann.
Schritt 8
Aus der Differentialrechnung folgt die gesuchte Winkelge­ schwindigkeit:
ω/ωo = DR/DE.
Die Bezugswinkelgeschwindigkeit ωo ergibt sich als Quotient aus dem Winkelintervall, in dem das Eichsignal abgetastet wurde, und dem Zeitintervall Δt, in dem das Signal des ro­ tierenden Rads abgetastet wurde.
Schritt 9
Während im Interesse der Meßgenauigkeit das Eichsignal sehr fein abgetastet werden sollte, ist dies bei hohen Winkelgeschwindigkeiten für das rotierende Rad nicht immer möglich. Andererseits ist eine hohe Meßgenauigkeit gerade bei kleinen Winkelgeschwindigkeiten notwendig, weil ein ABS/ASR Sensor blockierende Räder bzw. bei der Anfahrt durchrutschende Räder erkennen soll. Dieses Dilemma kann gelöst werden durch eine variable Abtastrate Δt=n · dt.
Erreicht die nach dem obigen Algorithmus bestimmte Winkelgeschwindigkeit eine Obergrenze, dann wird von n=1 nach n=2 oder analog von n nach n+1 umgeschaltet. Die Abtastung des kontinuierlichen Sensorsignals erfolgt dann nur mehr in jedem 2. bzw. jedem n+1. Intervall.
Ein analoges "Zurückschalten" ist bei Unterschreiten einer Untergrenze möglich.
Durch die variable Abtastrate verändert sich die Bezugswinkelgeschwindigkeit ω₀, was vom System berücksichtigt werden muß.
Schritt 10
Eine wichtige Voraussetzung für das Verfahren ist die Synchronisation des Eichsignals mit dem aktuellen Signalverlauf. Hierzu sind in der Literatur ausreichend Vorschläge vorhanden. Die für die Auswertelogik einfachste Lösung besteht in einem bewußten Verändern eines oder mehrerer Zähne des Polrads. Vorstellbar ist z. B. das Verbreitern eines Zahnes so, daß er bei gleicher Masse die beiden benachbarten Lücken auffüllt (1/3 der Normalhöhe). Im differenzierten Signal würde sich dieser Ort als länger andauernde Nullinie bemerkbar machen. Die Feinsynchronisation kann dann erfolgen, indem geprüft wird, wann die nächste Anstiegsflanke eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Sollen bauliche Veränderungen am Polrad vermieden werden, kann aufgrund geringer, fertigungstechnisch unvermeidlicher Schwankungen am Polrad mit Hilfe der Korrelationstechnik die Synchronisation in jedem Fall durchgeführt werden. Sie ist aber deutlich aufwendiger und aus Zeitgründen parallel von der laufenden Messung vorzunehmen.
Ist die Synchronisation erfolgt, so muß die aktuelle Position laufend festgeschrieben werden. Dies geschieht mit Hilfe des Ausdrucks:
α(t) = Σω · Δt
Da sich bei diesem Aufsummieren der Winkelbeiträge Fehler ebenfalls summieren, ist eine periodische Neusynchronisation erforderlich.
Schritt 11
Bei Stillstand und Wiederanrollen des Rades ist durch einen Signalvergleich eine Entscheidung darüber möglich, ob das Rad sich vorwärts oder rückwärts dreht. Auch hier ist es am einfachsten, wenn das Polrad eine oder mehrere wie auch immer gestaltete Nullmarken aufweist.
Fehlt eine solche, dann ist auf jeden Fall durch Kreuzkorre­ lation des Eichsignals mit dem laufenden Signal, bzw. dem zeitlich umgedrehten Signal eine Entscheidung über die Dreh­ richtung möglich.
Zusammengefaßt sind folgende Schritte zur Messung der mo­ mentanen Winkelgeschwindigkeit ω, der Drehrichtungserken­ nung und der momentanen Absolutposition des Rades erforder­ lich:
  • 1. Erzeugen eines magnetischen Kreises, der die Zähne des Polrades einschileßt.
  • 2. Variation der magnetischen Induktion B des Kreises im Rhythmus der vorbeilaufenden Zähne und Lücken des Pol­ rads.
  • 3. Messung der magnetischen Induktion durch den Faraday- Effekt:
    Δ Φ = V · 1 · B
    unter Verwendung eines zumindest in einem bestimmten Spektralbereich optisch transparenten Materials mit hoher Drehrate, z. B. eines Yttrium-Eisen-Granats. Hierbei ist:
    Δ Φ = Polarisationswinkel,
    V = Verdet-Konstante,
    l = wirksame physikalische Weglänge,
    B = magnetische Induktion.
  • 4. Dimensionierung des Magnetfelds so, daß in keiner Posi­ tion des Rades vollständige Auslöschung oder vollstän­ dige Transmission erfolgt. Ist trotzdem Sensor dunkel:
    Lichtquelle oder Kabel defekt, ist Sensor hell: Magnet­ feld nicht in Ordnung.
  • 5. Elektronisches Abspeichern des resultierenden Signals für eine volle Umdrehung (Eichsignal (SE) .
  • 6. Differenzenbildung DE des Eichsignals SE mit feiner Abtastung dSE/dt = DE
  • 7. Messen und Differenzenbildung DR für das aktuelle Signal SR des rotierenden Rades ΔSR/Δt = DR
  • 8. Berechnung der Drehgeschwindigkeit ω des rotierenden Rades:
    ω = DR/DE
    unter der Voraussetzung der Einhaltung des Nyquist- Abtasttheorems.
  • 9. Zeitlich variable Abtastrate für das aktuelle Signal SR im Interesse einer höheren Meßgenauigkeit.
  • 10. Synchronisation (Festlegen des gemeinsamen Nullpunkts)
  • 11. Nach Stillstand des Rades Vergleich mit dem Original- Eichsignal zwecks Anlieferung von Information über Dreh­ richtung des anrollenden Rads. Hiernach: Sprung zu Posi­ tion (6).
Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeich­ nung dargestellten neuen Merkmale allein oder in sinnvol­ ler Kombination sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den Ansprüchen nicht beansprucht sind.

Claims (18)

1. Verfahren zur Messung einer physikalischen Größe mit einem faseroptischen Sensor (1), der ein optisch trans­ parentes ferrimagnetisches Material (2) mit hoher Dreh­ rate aufweist und im Betrieb den Faraday-Effekt ausnut­ zend einem Magnetfeld (H) ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der den faseroptischen Sensorleitungen (3, 4) entfernten Stirnseite (5) des optischen Materials (2) der zugeleitete Lichtstrom reflektiert und durch ein optisches Element fokussiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vergrößerung des Polarisationswinkels (Δ Φ) auf nahezu 90° die wirksame physikalische Weglänge (1) vergrößert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Material (2) einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Material (2) in einen magnetischen Kreis eingebettet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis durch einen Dauermagneten erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis durch einen Elektromagneten erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Material (2) ein Yttrium-Eisen-Granat (Y3Fe2O12) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Sensor (1) zur Positionsmessung eines Polrades (6) oder eines Kraftfahrzeugrades in einem Antiblockierschutz-System (ABS-System) oder in einem Antischlupfregel-System (ASR-System) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Kreis erzeugt wird, der die Zähne des sich drehenden Polrades (6) einschließt, wobei das Magnetfeld (H) des Kreises im Rhythmus der vorbei­ laufenden Zähne und Lücken des Polrades (6) variiert wird, daß das Magnetfeld (H) durch den Faraday-Effekt unter Verwendung eines optischen Materials (2) mit sehr hoher Drehrate (V), z. B. Yttrium-Eisen-Granat gemessen wird, daß das resultierende Signal für eine volle Umdrehung des Polrades (6) abgespeichert wird (Eichsignal SE) , daß eine Differenzenbildung (DE) des Eichsignals (SE), mit feiner Abtastung dSE/dt = DEvorgenommen wird,
und daß das Messen und die Differenzenbildung (DR) für das aktuelle Signal (SR) eines rotierenden Kraft­ fahrzeugradesΔSR/Δt = DRvorgenommen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit (ω) des Kraftfahrzeug­ rades aus ω/ωo = DR/DE mit ωo = d/tberechnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stillstand des Kraftfahrzeugrades (ω = 0) entspre­ chend einer Blockierneigung ein Vergleich des aktuellen Signals (SR) mit dem Original-Eichsignal (SE) vorge­ nommen wird und für Informationen über Drehrichtung des anrollenden Kraftfahrzeugrades ausgewertet wird, worauf wiederum ein Messen und eine Differenzenbildung (DR) für das aktuelle Signal (SR) des rotierenden Kraft­ fahrzeugrades
SR/Δt = DR
vorgenommen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (H) so dimensioniert wird, daß in keiner Position des Kraftfahrzeugrades eine voll­ ständige Auslöschung des magnetischen Feldes oder eine vollständige Transmission erfolgt.
13. Faseroptischer Sensor (1), insbesondere zur analogen Positionsbestimmung eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit Sensor-Zuleitung (3) und Sensor-Ableitung (4) sowie optisch vorgelagertem, nach dem Faraday-Effekt betriebenen optischen Material (2), dadurch gekennzeichnet, daß die den Sensor-Zu-/Ableitungen (3, 4) entfernte Stirnseite (5) des optischen Materials (2) verspiegelt ist.
14. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Zuleitung (3) und die faseropti­ sche Ableitung (4) in einem gemeinsamen Faserstrang zusammengefaßt sind.
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß er in Axialrichtung in den Eisenkern (7) einer Magnetspule (8) eingebettet ist, deren magnetischer Feldbereich einem Polrad (6), beispielsweise einem Getrieberitzel, oder einem Kraftfahrzeugrad zugeordnet ist.
16. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den faseroptischen Zu-/Ableitungen (3, 4) und dem optischen Material (2) jeweils ein linearer Polarisationsfilter (9) angeordnet ist.
17. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Zuleitung (3) als polarisations­ erhaltende optische Faser ausgebildet ist, während zwi­ schen faseroptischer Ableitung (4) und optischem Mate­ rial (2) ein linearer Polarisationsfilter (9) angeord­ net ist.
18. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer magnetischen Induktion (B = ±35 mT) ein Yttrium-Eisen-Granat (Y3Fe5O12) in der Größe von ca. 2 × 2 × 2,5 mm vorgesehen ist, d. h. ein Granat 2,5 mm, wobei d dem optisch effektiven Faserdurchmesser entspricht.
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