DE4239389A1

DE4239389A1 - Vorrichtung zur optischen Stellungsmessung

Info

Publication number: DE4239389A1
Application number: DE19924239389
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Kodl
Original assignee: ZAM EV
Current assignee: ZAM EV
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1994-05-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Stel lungsmessung, bei der ein Reiter stellungsändernd bezüglich einer Bahn verschiebbar ist, die zur Lichtleitung ausgebildet ist, und bei der eine Lichtstrahlungsquelle auf die Bahn ar beitet und der Bahn zwei Lichtmeßgeräte zugeordnet sind, die an eine Auswertungseinheit einer Positionsanzeige angeschlos sen sind.

Eine bekannte (Zeitschrift PHOTONICS SPECTRA, Juli 1991, S.117, 118) Vorrichtung dieser Art arbeitet mit Lichtreflek tion und Lichtlaufzeitmessungen. Es ist in einer als Bahn dienenden Röhre ein als Reiter vorgesehener Reflektor ver schiebbar. Von einem Ende der Röhre wird Licht zum Reflektor gesendet und von diesem zurück zu dem einen Meßgerät ge schickt, das die Anwesenheit des Lichtes und dessen Laufzeit im Vergleich mit der Laufzeit über die gesamte Röhrenlänge feststellt. Aus der Laufzeit wird in der Auswertungseinheit die Stellung des Reiters ermittelt, die mit der Positionsan zeige wiedergegeben wird. Diese Vorrichtung ist im Aufbau aufwendig, weil ein aufwendiger Spectrumanalysator, eine ko härente, schnell modulierbare Lichtquelle, ein breitbandiger Lichtquellenleiter und ein schneller Detektor erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art zu schaffen, die im Aufbau vereinfacht ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, diese Aufgabe lö send, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn von einem Licht wellenleitermaterial, in das fluoreszierende Partikel ver teilt eingebettet sind, gebildet ist, daß der Reiter über der Lichtwellenleiter-Bahn angeordnet und mit einer Erregerlicht quelle zur Erzeugung von Fluoreszenzlichtstrahlung versehen ist, und daß an zwei einander entgegengesetzen Enden der Lichtwellenleiter-Bahn je ein Lichtleistung-Meßgerät ange schlossen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist wenig aufwendig, weil sie mit NF-Signalen hoher Intensität arbeiten kann und dabei die Bauteile billig sind, weil die Signalauswertung erheblich vereinfacht ist und weil die Lichtwellenleiter-Bahn aus billigem Kunststoff sein kann. Die fluoreszierenden Partikel wandeln die höherfrequentere Erregerlichtstrahlung in eine niederfrequentere Fluoreszenzlichtstrahlung um, wobei die Frequenz der Erregerlichtstrahlung auf die Frequenz der er zeugbaren Fluoreszenzlichtstrahlung abgestimmt ist. Die Fluoreszenzlichtstrahlung ist isotrop und wird auf dem Weg zu den beiden Enden der Lichtwellenleiter-Bahn gedämpft. Aus dem Unterschied zwischen den beiden Lichtleistungen an den beiden Bahnenden läßt sich die Stellung bzw. Position des Reiters ermitteln. Die Bahn verläuft z. B. geradelinig oder gebogen bzw. gekrümmt.

Die Vorrichtung zur optischen Stellungsmessung vermeidet Nachteile der Vorrichtung zur elektrischen Stellungsmessung, die bei Messungen in flüssigen Medien oder wegen elektromag netischer Beeinflussung auftreten. Die ganze Vorrichtung kann aus nichtmetallischem Material sein. Die erfindungsgemäß Vor richtung läßt sich z. B. zur Messung der Stellung eines Auto- Schiebedaches, zur Messung der Ruderstellung eines Flugzeu ges, zur Messung der Supportstellung einer Maschine und zur Messung der Stellung eines Schwimmers in einem Flüssigkeits tank anwenden. Der Lichtwellenleiter besteht in der Regel aus einem Mantel und einem Kern, der mit den fluoreszierenden Partikeln gleichmäßig dotiert ist. Die Richtung der auf die Lichtwellenleiter-Bahn auftreffenden erregenden Lichtstrah lung ist für die Funktion der Vorrichtung bedeutungslos. Die jenige Fluoreszenzstrahlung, die steil quer zum Mantel des Lichtwellenleiters verläuft, tritt aus diesem aus; die andere Fluoreszenzlichtstrahlung wird weitergeleitet.

Besonders zweckmäßig und vorteilheit ist es, wenn die Licht strahlung der Erregerlichtquelle moduliert ist und die Licht leistung-Meßgeräte jeweils mit einem Demodulator versehen sind. Dadurch wird die Vorrichtung in der Funktion weniger störanfällig.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn die Auswertungseinheit zur Ermittlung des Verhältnisses der bei den gemessenen Lichtleistungen ausgelegt ist. Die Verhältnis bildung ist gegenüber einer Differenzbildung im Ergebnis we niger von Störfaktoren abhängig.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Erregerlichtquelle das Ende einer flexiblen Lichtwellen leiter-Zuleitung ist, an deren Anfang eine lichtemittierende Diode vorgesehen ist. Hierbei entfällt eine elektrische Zu leitung zum Reiter zwecks Erzeugung der Erregerlichtstrah lung.

Eine besonders zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung liegt vor, wenn die Lichtwellenleiter-Bahn und die Verschiebbarkeit des Reiters jeweils zweidimensional flä chig ausgebildet sind, wenn die zwei einander entgegengesetz ten Enden der Lichtwellenleiter-Bahn Längsseiten sind, ent lang denen jeweils eine Reihe von mehreren Lichtleistung-Meß geräten zugeordnet bzw. angeschlossen ist, und wenn die Aus wertungseinheit zu Positionsanzeigen beider Dimensionen ge eignet ausgebildet ist. Ein wesentlicher Vorteil der Erfin dung besteht also darin, daß die Erfindung auch für zwei dimensionale Stellungsmessung geeignet ist bzw. die Bestim mung der Position des Reiters in einer Fläche erlaubt. Dabei ist der apparative Aufwand gering. Die zu Positionsanzeigen beider Dimensionen geeignet ausgebildete Auswertungseinheit läßt sich vom Fachmann mit herkömmlichen Mitteln gestalten.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er findung dargestellt und zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur optischen Stellungsmessung,

Fig. 2 eine schematische Funktionsskizze zu der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine grafische Darstellung von Funktionsgrößen der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Vor richtung zur optischen Stellungsmessung und

Fig. 5 eine dritte Vorrichtung zur optischen Stellungsmessung.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 besitzt eine Lichtwellen leiter-Bahn 1, die von einem geraden Strang gebildet ist. An jedem der beiden Enden der Strang-Bahn 1 ist über nicht ge zeigte optische Stecker ein Fotodetektor eines Lichtleistung- Meßgerätes 2 angeschlossen, das mit einem elektrischen An schluß 3 versehen ist. Entlang der Lichtwellenleiter-Bahn 1 ist ein Reiter 4 verschiebbar, der in nicht näher gezeigter Weise als Schlitten oder Schieber ausgebildet ist. In dem Reiter 4 ist eine Erregerlichtquelle 5 als Ende einer flexib len Lichtwellenleiter-Zuleitung 6 vorgesehen, die von einer lichtemittierenden Diode 7 gespeist wird, die mit einem elek trischen Anschluß 8 versehen ist. Die beiden Meßgeräte 2 sind über je eine elektrische Leitung 9 an eine Auswertungseinheit 10 angeschlossen, die auf eine Positionsanzeige 11 arbeitet.

Gemäß Fig. 2 ist der Strang der Lichtwellenleiter-Bahn 1 ein von einem Mantel 12 umgebener Kern 13. Die Erregerlichtquelle 5 bringt das Erregerlicht mit einer Leistung P in den Kern 13 ein und zwar mit einem Stellungsabstand L von einem Ende A, an dem eine Lichtleistung P_A zu messen ist. Am anderen Ende B der Bahn 1 ist eine Lichtleistung P_B zu messen. In Fig. 2 sind Partikel, die Fluoreszenzlicht verursachen, nicht ge zeigt und die Fluoreszenzlichtstrahlung ist durch Pfeile an gedeutet. In Fig. 3 sind Lichtleistungen P_A und P_B in Abhän gigkeit von der Länge L der durchströmten Lichtwellenleiter- Bahn dargestellt. Auch ist das Verhältnis der beiden Licht leistungen in seiner konkreten Zuordnung zu der Länge L bzw. zur zu messenden Stellung gezeigt.

In Fig. 4 und 5 ist jeweils eine Vorrichtung zur zweidimen sionalen Stellungsmessung gezeigt. Die Lichtwellenleiter-Bahn ist jeweils ein ebenes flächiges und rechteckiges Gebilde mit geraden Längsseiten 14. Die Lichtwellenleiter-Bahn 1 hat im X-Y-Koordinatensystem eine zu messende Erstreckung in zwei Richtungen. Es sind jeweils Reihen 15 von Lichtleistung-Meß geräten 2 vorgesehen. Jedes Lichtleistung-Meßgerät ist un mittelbar bei der Lichtwellenleiter-Bahn 1 als Fotodetektor ausgebildet. Der in nicht näher gezeigter Weise zweidimensio nal verschiebbar gelagerte und geführte Reiter 4 ist oberhalb der flächigen Bahn 1 angeordnet. Die Lichtleitung-Meßgeräte 2 bzw. deren Fotodetektoren sind an eine nicht gezeigte an sich bekannte Auswertungseinheit angeschlossen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die flächige Licht wellenleiter-Bahn 1 ein in sich einheitliches plattenartiges Gebilde. Es ist allen vier Längsseiten 14 je eine Reihe 15 von Lichtleistung-Meßgeräte 2 zugeordnet. Das Fluoreszenz licht breitet sich in beiden Richtungen gleichmäßig aus. Es wird an allen vier Längsseiten gemessen. Aus den Meßergeb nissen an je zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten wird jeweils die Stellung in X-Richtung bzw. in Y-Richtung aufbereitet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die flächige Lichtwellenleiter-Bahn 1 ein floßartiges Gebilde, das aus einer Vielzahl von parallel aneinandergelegten Strangstücken zusammengesetzt ist. Es ist nur den beiden Längsseiten 14, die von den Enden der Strangstücke bestimmt sind, je eine Reihe 15 von Lichtleistung-Meßgeräten 2 zugeordnet. Das Fluoreszenzlicht breitet sich in Längsrichtung der Strangstücke aus. Es wird an nur zwei Längsseiten gemessen. Die X-Koordinate wird durch das Verhältnis der Intensitäten des Fluoreszenzlichtes an den Enden der Strangstücke be stimmt; die Y-Koordinate wird durch das Maximum der Intensi tät des Fluoreszenzlichtes entlang jeweils einer Reihe von Strangstück-Enden bestimmt. Aus dem Meßergebnis wird jeweils die Stellung in X-Richtung bzw. in Y-Richtung aufbereitet.

Die in Fig. 4 und 5 verdeutlichte Ausführungsform mit zwei dimensionaler Lichtwellenleiter-Bahn läßt sich verwirklichen, indem der Reiter ähnlich wie ein Support bei einer Bohr- oder Fräsmaschine mit einer zweidimensional wirkenden Verschiebe einrichtung gelagert ist. Entsprechend der Anordnung dieser Verschiebeeinrichtung ist der Reiter z. B. relativ nahe bei der Bahn oder z. B. sehr weit weg von der Bahn angeordnet. Die Übertragung des Lichtes vom Reiter zur Bahn erfolgt z. B. mit tels eines Lichtgriffels in Form eines Lichtwellenleiterstück es, das vom Reiter ausgeht und dicht bei der Bahn endet. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein gebündelter Licht strahl vom Reiter zu Bahn geschickt, wobei der auf der Bahn befindliche Auftreff-Lichtfleck gegenüber der positionsbestim menden Fläche der Bahn klein sein soll.

Die Auswertungseinheit enthält Angaben von den Meßgeräten der beiden Längsseiten, also einer X-Längsseite und einer Y-Längsseite. Jeder Position des Reiters ist eine bestimmte eindeutige Verteilung der Intensität des Flureszenz-Lichts entlang den beiden Längsseiten zugeordnet. Die Auswertungs einheit ist dazu ausgebildet, aufgrund der jeweiligen Ver teil und der Lichtintensität entlang den beiden Längsseiten die entsprechende Position nach der X-Koordinate und der Y- Koordinate anzugeben. Es ist also in der Auswertungseinheit eine Tabelle gespeichert, welche Lichtverteilungen und Posi tionen einander zuordnet. Es ist auch eine Ausführungsform mit analytischer Bestimmung der Position aufgrund der Vertei lungen bezüglich der beiden Längsseiten machbar.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Stellungsmessung, bei der ein Reiter stellungsändernd bezüglich einer Bahn verschiebbar ist, die zur Lichtleitung ausgebildet ist, und
bei der eine Lichtstrahlungsquelle auf die Bahn arbeitet und der Bahn zwei Lichtmeßgeräte zugeordnet sind, die an eine Auswertungseinheit einer Positionsanzeige ange schlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bahn (1) von einem Lichtwellenleitermaterial, in das fluoreszierende Partikel verteilt eingebettet sind, gebildet ist,
daß der Reiter (4) über der Lichtwellenleiter-Bahn (1) angeordnet und mit einer Erregerlichtquelle (5) zur Er zeugung von Fluoreszenzlichtstrahlung vorgesehen ist, und
daß an zwei einander entgegengesetzten Enden der Lichtwellenleiter-Bahn (1) je ein Lichtleistung-Meßgerät (2) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlung der Erregerlichtquelle (5) moduliert ist und die Lichtleistung-Meßgeräte (2) jeweils mit einem Demodulator versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Auswertungseinheit (10) zur Ermittlung des Verhältnisses der beiden gemessenen Lichtleistungen aus gelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erregerlichtquelle (5) das Ende einer flexiblen Lichtwellenleiter-Zuleitung (6) ist, an deren Anfang eine lichtemittierende Diode (7) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Bahn (1) und die Verschiebbarkeit des Reiters (4) jeweils zweidimensional flächig ausgebildet sind, daß die zwei einander entgegengesetzten Enden der Lichtwellenleiter- Bahn (1) Längsseiten (14) sind, entlang denen jeweils eine Reihe von mehreren Lichtleitung-Meßgeräten (2) zuge ordnet bzw. angeschlossen ist, und daß die Auswertungs einheit (10) zu Positionsanzeigen beider Dimensionen ge eignet ausgebildet ist.