DE4137582A1 - Einrichtung zum erkennen einer druckeinwirkung im bereich einer flaeche vorgegebener form und groesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Verwendungen einer derartigen Einrichtung.

Eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Einrichtung ist z. B. aus einer Druckschrift der Fa. Pieper, Düsseldorf, mit dem Titel "Lichtleiter-Sensoren und Systeme für die Sicherheit" bekannt. Die Einrichtung wird dort (siehe Kapitel "SABRELINE") als unterirdischer Glasfaser-Einbruchsdetektor bezeichnet. Um das Betreten einer Fläche zu erkennen, wird dort ein Kabel mit einer Glasfaser schleifenförmig unterhalb dieser Fläche, z. B. im Erdboden, verlegt und mit einem Ende mit einem Lichtsender, mit dem anderen Ende mit einem Lichtempfänger verbunden. Ein auf die Fläche ausgeübter Druck bewirkt, daß sich das Kabel durchbiegt. Die damit verbundene Änderung des vom Lichtsender ausgegebenen Lichtsignals wird vom Lichtempfänger erkannt und in ein elektrisches Signal umgesetzt. Bei Überschreiten einer einstellbaren Schwelle durch das elektrische Signal wird Alarm ausgelöst.

Das bekannte System ist so ausgelegt, daß mit möglichst wenig Kabelaufwand eine möglichst große geschlossene Fläche überwacht werden kann. Das Kabel wird hierzu z. B. 60 mm tief in die Erde eingebettet. Bodendruck wird damit noch in 40 cm Entfernung vom Kabel festgestellt. Eine Unterscheidung erkannter Druckeinwirkungen nach ihrer Dauer oder zeitlichem Verlauf findet nicht statt.

Ein solches System eignet sich nicht zur Überwachung scharf begrenzter Flächen, da die Entfernung vom Kabel, in der das elektrische Signal einer Druckeinwirkung vorgegebener Stärke den vorgegebenen Schwellenwert gerade noch übersteigt, infolge der großen Empfindlichkeit des Lichtempfängers und infolge unvermeidbarer Inhomogenitäten des Mediums, in dem das Kabel verlegt ist, nicht exakt eingestellt werden kann.

Außerdem ist ein solches System nicht in der Lage, mehrere, ggf. gleichzeitig auftretende Druckeinwirkungen auf die zu überwachende Fläche festzustellen und in ihrer Art voneinander zu unterscheiden, wie dies z. B. zur Erkennung des Auftreffens eines Tennisballes auf die Fläche einer Tennisfeld-Begrenzungslinie, die auch von einem Spieler betreten werden kann, erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß mit ihr verschiedene Arten von Druckeinwirkungen voneinander unterschieden und den sie aus lösenden Vorgängen zugeordnet werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Auswertung der Dauer einer Druckeinwirkung zusätzlich zur Auswertung der Amplitude des aus der Veränderung des den optischen Wellenleiter durchsetzenden Lichtstrahls gewonnenen elektrischen Signals gestattet, Druckeinwirkungen von kurzer Dauer von länger andauernden oder statischen Einwirkungen zu unterscheiden. Damit kann z. B. eine durch das Auftreffen eines Tennisballes auf eine Begrenzungslinie des Tennis-Spielfeldes hervorgerufene, nur wenige Millisekunden andauernde Druckeinwirkung von einer Druckeinwirkung unterschieden werden, die ein Tennisspieler durch Betreten der Begrenzungslinie ausübt, da diese mindestens die zehnfache Dauer besitzt. Auch bei gleichzeitiger Druckeinwirkung durch Spieler und Ball auf die Begrenzungslinie ist durch geeignete Signalfilterung eine getrennte Auswertung beider Druckeinwirkungen und eine Zuordnung zu den sie auslösenden Vorgängen möglich. Eine Überwachung von Markierungslinien oder diesen benachbarten Flächen z. B. zum Zweck der Anzeige des Übertretens oder zur Weitenmessung bei Sprung- oder Wurfdisziplinen im Sport ist ebenfalls möglich.

Weiterbildungen der Einrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.

So ermöglicht der Gegenstand des Patentanspruchs 2, die Druckeinwirkung auslösende Gegenstände hinsichtlich ihrer Beschaffenheit zu unterscheiden, so daß z. B. das Auftreffen eines (elastischen) Tennisballes auf die Begrenzungslinie eines Tennisfeldes von einer durch die (harte) Kante eines Tennisschlägers hervorgerufenen Druckeinwirkung unterschieden werden kann.

Der Gegenstand des Anspruchs 3 ermöglicht eine exakte Lokalisierung der Druckeinwirkung auch dann, wenn eine Beeinflussung eines optischen Wellenleiters durch seitliche Druckeinwirkung nicht ganz ausgeschlossen werden kann.

Eine im Patentanspruch 4 beschriebene Weiterbildung der Erfindung sieht den Einsatz eines kostengünstigen optischen Wellenleiters vom "Microbend"-Typ vor.

Der Einsatz von in Reflexion betriebenen, an einem Ende verspiegelten optischen Wellenleitern gemäß Anspruch 5 ermöglicht deren Verlegung bis in die äußersten Ecken einer Tennis-Spielfeldmarkierung.

In den Ansprüchen 6 und 7 beschriebene Weiterbildungen der Einrichtung nach der Erfindung betreffen Einbettungsstrukturen, die eine weitgehende Unterdrückung des Einflusses seitlicher Druckkomponenten ermöglichen.

Die Ansprüche 8 bis 10, schließlich, betreffen Verwendungen der erfindungsgemäßen Einrichtung im Bereich des Sports.

Eine Verwendung von Glasfaser-Lichtleitern im Zusammenhang mit einer Tennisfeld-Linienüberwachung ist bisher aus der US-PS 48 66 414 bekannt, jedoch wird der Lichtleiter hier nicht als Drucksensor verwendet, sondern dient zur Fortleitung eines durch den Ball innerhalb einer eng begrenzten Zone entlang der Linie ausgelösten optischen Signals zu einer Fernsehkamera.

Anhand von 4 Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele der Einrichtung nach der Erfindung beschrieben und ihre Funktion erklärt werden.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild der Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines vorteilhaft einsetzbaren Glasfaser-Sensors,

Fig. 3 zeigt verschiedene Verlegungsweisen für die Überwachung einer Markierungslinie auf Druckeinwirkung,

Fig. 4 zeigt verschiedene mögliche Bettungsarten von Sensoren in einem Trägermaterial.

In Fig. 1 sind eine Anzahl von Glasfaser-Sensoren S1 . . . Sn dargestellt, die über einen optischen Verteiler V aus einer gemeinsamen Lichtquelle, einem Laser L mit Licht beaufschlagt werden. Die dem Laser abgewandten Faserenden sind an Detektoren D1 . . . Dn (innerhalb einer Auswerteschaltung AW) angekoppelt, welche das durch die Sensoren hindurchtretende Licht optisch/elektrisch wandeln und von der Lichtintensität abhängige elektrische Signale über nicht dargestellte Analog/Digital-Wandler einem auswertenden Rechner R zuführen. Mit der Auswerteschaltung ist u. a. eine Anzeigeeinrichtung AZ verbunden, die in der Auswerteschaltung gewonnene Ergebnisse optisch oder akustisch anzeigt.

Als Sensoren eignen sich grundsätzlich alle Arten von sogenannten intrinsischen Sensoren, bei denen der optische Wellenleiter selbst das Sensorelement bildet. Aus Kostengründen wird man jedoch multimodige Sensoren vorziehen, die aufgrund einer Änderung von Krümmungsradien die Intensität des hindurchtretenden Lichtes verändern, hochempfindlichen interferometrischen Sensoren vorziehen.

Ein vorteilhaft einsetzbarer Sensor ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser auch als "Microbend-Sensor" bezeichnete Sensor weist eine Glasfaser G auf, die mit einem Draht oder einer Kunststoffaser DS (spiralig) umwickelt und von einem Schutzmantel M umgeben ist. Ein solcher Sensor ist für Druckbelastung aus allen Richtungen empfindlich. Er läßt sich kostengünstig herstellen und zusammen mit einem einfachen Multimodelaser betreiben.

Die Auswerteschaltung kann sowohl eine speziell für den einzelnen Anwendungsfall ausgelegte diskrete Schaltung sein als auch ein Rechnersystem, das die einzelnen Schaltungsfunktionen mit Hilfe spezieller Programme ausführt.

Zur Bewertung der Amplituden der einzelnen Detektor-Ausgangssignale werden vor allem Schwellenwertvergleiche durchgeführt. Die Signaldauern werden mittels Zeitmeßschaltungen oder Zeitmeßroutinen (z. B. mit Hilfe des rechnereigenen Taktgebers) erfaßt. Flankensteilheiten lassen sich durch Differentiation der Signale und anschließende Amplitudenbewertung erfassen.

Zur genauen Ortsbestimmung einer Druckeinwirkung, wie sie z. B. nötig ist, um eine Linienberührung durch einen Tennisball von einem Auftreffen des Balles außerhalb des Tennis-Spielfeldes zu unterscheiden, genügt es in der Regel nicht, das Signal eines Sensors auszuwerten, sondern es müssen gleichzeitig gewonnene Signale mehrerer, zueinander benachbart angeordneter Sensoren miteinander verglichen werden. Hierzu können die von den Detektoren empfangenen Signale und die daraus gewonnenen Werte für Dauer und Flankensteilheit zunächst zwischengespeichert werden.

Sensoren-Verlegungsmuster für bestimmte kritische Bereiche einer Tennisfeldbegrenzung zeigt Fig. 3.

In Fig. 3a ist eine für die Gewinnung eines Out-Kriteriums geeignete Verlegung wiedergegeben.

Ein oder mehrere erste Sensoren SA sind in Schleifen in einem an die Außenkante einer Tennisfeld-Begrenzungslinie BL anschließenden, mehrere Zentimeter breiten Bodenbereich verlegt. Der Abstand der einzelnen Sensorschleifen voneinander liegt im Bereich von wenigen Millimetern. Die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung ist so eingestellt, daß ein aus 1 m Höhe auf den mit Sensoren versehenen Bereich auftreffender Tennisball noch ein deutliches Ausgangssignal in den getroffenen Sensoren erzeugt. Ein zweiter Sensor LS ist innerhalb des Bereiches der Begrenzungslinie, dicht an deren Außenkante verlegt. Er ist an einem Ende SP verspiegelt und wird in Reflexion betrieben, d. h. der Lichtempfänger ist in der Nähe des Lichtsenders an den Wellenleiter angekoppelt und wertet das am verspiegelten Ende reflektierte Licht aus. Infolge der Verspiegelung kann auf eine Platz beanspruchende Schleifenbildung verzichtet werden und der Sensor kann bis in die äußerste Ecke der Tennisfeld-Begrenzungslinie geführt werden.

Fig. 3b zeigt eine Verlegung, die zur Gewinnung eines In-Kriteriums geeignet ist. Ein Sensor LS ist über Teile des Feld-Innenbereiches und die gesamte Begrenzungslinie BL hinweg bis dicht an deren Außenkante heran verlegt. Damit er bis in die äußerste Ecke der Begrenzung geführt werden kann, besitzt auch er ein verspiegeltes Ende SP und wird in Reflexion betrieben.

Anstelle eines einzigen Sensors können grundsätzlich mehrere Sensoren verlegt werden. Es besteht dann die Möglichkeit, eine Berührung einer Begrenzungslinie durch Vergleich der Signale verschiedener innerhalb und außerhalb der Begrenzungslinie verlegter Sensoren zu erkennen. Auf seitliche Druckbeeinflussung zurückzuführende Signalanteile können dann weitgehend kompensiert werden.

Inwieweit sich Seitendruck auf die einzelnen Sensoren auswirkt, hängt vor allem von deren Bettung im Untergrund ab.

Fig. 4 zeigt Bettungsarten, die senkrecht einwirkende Druckkomponenten verstärken, seitlich einwirkende Druckkomponenten dagegen dämpfen.

Fig. 4a zeigt einen Querschnitt durch einen mit Sensoren S ausgestatteten Bereich eines Tennis-Spielfeldes. In einem Trägermaterial T, z.B. dem elastischen Belag des Tennis-Spielfeldes ist ein Band F aus weniger elastischem oder starrem Material eingelassen, dessen nach oben weisende Oberfläche eine Wellenstruktur aufweist oder mit zur Tennisfeld-Begrenzungslinie parallel laufenden Nuten versehen ist. In den Vertiefungen der Wellenstruktur bzw. am Grund der Nuten sind die Sensoren S verlegt und mit Deckmaterial E, das in seinen mechanischen Eigenschaften möglichst weitgehend dem Trägermaterial T entspricht, vergossen oder verschweißt. Das Band F kann z. B. aus hartem Kunststoff bestehen, kann aber auch ein gewelltes Blech sein. Seitliche Druckkomponenten werden hier vom Band F aufgenommen, während senkrechte Druckkomponenten durch die Struktur des Bandes auf die Sensoren konzentriert werden.

In Fig. 4b und c werden seitliche Druckkomponenten durch zwischen den Sensoren S befindliche Hohlräume H gedämpft, während senkrechte Komponenten auf die zwischen den Hohlräumen angeordneten Bereiche, in denen die Sensoren in elastischem Deckmaterial E eingebettet sind, konzentriert werden. Die in Fig. 4b gezeigte Struktur erhält man z. B. durch wechselweise Verlegung von Sensoren und elastischen Schläuchen und anschließendes Vergießen mit Deckmaterial. Die Struktur der Fig. 4c setzt eine getrennte Fertigung (z. B. Spritzgießen) und die nachfolgende Einbettung der gesamten Struktur in das Trägermaterial T voraus.

Die in Fig. 4b und 4c gezeigten Strukturen haben gegenüber der in Fig. 4a wiedergegebenen Struktur den Vorteil, daß sie kein gegenüber dem Trägermaterial hartes Material benötigen und sich damit homogen in das Trägermaterial einfügen. Die Elastizität des Spielfeldes sowie das Ballabsprungverhalten werden im Bereich der mit Sensoren ausgestatteten Flächen des Tennis-Spielfeldes damit nicht verändert.

Claims (10)

1. Einrichtung zum Erkennen einer Druckeinwirkung im Bereich einer Fläche mittels mindestens eines in einem die Fläche bildenden oder mit der Fläche mechanisch in Kontakt stehenden Medium verlegten optischen Wellenleiters und einer optoelektronischen Auswerteschaltung, welche durch die Druckeinwirkung hervorgerufene Veränderungen eines den Wellenleiter durchsetzenden Lichtstrahls in elektrische Signale umwandelt, diese nach ihrer Amplitude bewertet und abhängig vom Ergebnis der Bewertung eine Anzeige auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (AW) die den Veränderungen des Lichtstrahls entsprechenden elektrischen Signale zusätzlich hinsichtlich ihrer Dauer bewertet.

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung die den Veränderungen des Lichtstrahls entsprechenden elektrischen Signale zusätzlich hinsichtlich ihrer Flankensteilheit bewertet.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere optische Wellenleiter (S1 . . . Sn) in vorgegebenen Abständen voneinander im Bereich der Fläche verlegt sind, daß die Veränderungen der die optischen Wellenleiter durchsetzenden Lichtstrahlen für jeden der Wellenleiter von der Auswerteschaltung (AW) getrennt erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt werden, und daß die Auswerteschaltung den Ort der Druckeinwirkung anhand eines Vergleichs der von den einzelnen optischen Wellenleitern stammenden elektrischen Signale untereinander ermittelt.

4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Wellenleiter (S1 . . . Sn) allseitig druckempfindliche, mehrmodige Glasfaser-Lichtleiter verwendet werden.

5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere in Reflexion betriebene, an einem Ende (SP) verspiegelte optische Wellenleiter (SA, LS) verwendet werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wellenleiter (S) in Vertiefungen einer formstabilen Unterlage (F) verlegt und mit elastischem oder gummielastischem Einbettungsmaterial (E) überschichtet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in elastischem oder gummielastischem Einbettungsmaterial (E) nebeneinander verlegte optische Wellenleiter (S) durch im Einbettungsmaterial geschaffene Hohlräume (H) voneinander getrennt sind.

8. Verwendung einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ermittlung des Ballauftreffortes im Bereich eines Tennis-Spielfeldes.

9. Verwendung einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Übertrittsanzeige im Sport.

10. Verwendung einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ermittlung des Auftreffortes eines Sportgerätes zum Zweck der Weitenmessung.