WO1992014991A1 - Optical displacement or deformation measurement process and device - Google Patents

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WO1992014991A1
WO1992014991A1 PCT/DE1992/000118 DE9200118W WO9214991A1 WO 1992014991 A1 WO1992014991 A1 WO 1992014991A1 DE 9200118 W DE9200118 W DE 9200118W WO 9214991 A1 WO9214991 A1 WO 9214991A1
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WO
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light
optical
deformation
light beam
cross
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PCT/DE1992/000118
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Inventor
Humberto Chaves Salamanca
Gerd E. A. Meier
Boleslaw Stasicki
Original Assignee
MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M65/00Testing fuel-injection apparatus, e.g. testing injection timing ; Cleaning of fuel-injection apparatus
    • F02M65/005Measuring or detecting injection-valve lift, e.g. to determine injection timing

Definitions

  • the invention relates to an optical method for measuring the path or the deformation of a measurement object as well as an optical path or deformation meter with optical elements comprising a light transmitter, a light receiver and an optical system determining the beam path of the light beam emitted by the light transmitter.
  • the light receiver must not be in the vicinity of the point at which the light transmitter is imaged by the imaging optical system, because then the drop in radiation intensity described above with the square of the distance is no longer valid.
  • the object of the invention is to provide an optical method for measuring the path or the deformation of a measurement object and an optical path or deformation meter and to design such that a high temporal resolution of the measurements can be achieved.
  • a light beam is emitted from a light transmitter with a light output that is constant or kept constant during the measurement, in the beam path of the light beam the size of the light beam cross-section that falls on a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam is changed with the path or the deformation of the measurement object and the light output only over a predetermined constant area size, lying in the optical cross-sectional plane, different from the total cross-section lying in the optical cross-sectional plane Partial cross-section of the light beam measured and evaluated to determine the respective path or the respective deformation of the measurement object.
  • the optical path or deformation meter has optical elements from a light emitter that emits a light beam with light output that is constant or kept constant during the measurement, an optical system that determines the beam path of the light beam, and a light receiver arranged in the beam path, at least one of which is optical Elements is coupled to the measurement object or is formed by the latter in such a way that the area size of the light beam cross-section which falls on a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam is changed as a function of a change in the location or the degree of deformation of the measurement object, and the light receiver for measuring the light output is arranged and / or designed only over a partial cross-section of the light bundle which has a predetermined constant size and lies in the optical cross-sectional plane and which is different from its total cross-section in the optical cross-sectional plane is different.
  • the displacement or deformation meter thus consists of a light transmitter of limited extent emitting a light bundle (e.g. a light-emitting diode (LED) or of the end of a light guide fed in with light) and light output emitted at a constant time, an imaging optical system (e.g. concave mirror or Lens) and a light receiver with a limited sensitive area (e.g. photodiode).
  • a light bundle e.g. a light-emitting diode (LED) or of the end of a light guide fed in with light
  • an imaging optical system e.g. concave mirror or Lens
  • a light receiver with a limited sensitive area e.g. photodiode
  • the operating principle is based on the change in light output, which is detected with the limited sensitive area of the light receiver.
  • the test object is rigid with one of the optical elements mentioned coupled or trained on this.
  • the light receiver or the entrance surface of a light guide connected to it is located in a convergent or divergent light beam path, the opening angle of which changes due to the coupling of the measurement object during its movement, so that the cross section of the light beam and thus the light intensity above it and thus also the light intensity above change the partial cross-sectional area detected by the light receiver, which remains constant in size, and the light intensity measured by the light receiver and converted into an electrical signal (the quotient of light output and area) depends on the distance of the measurement object or its degree of deformation. This dependency can be verified by calibrating the displacement or deformation meter by appropriately assigning mechanically measured length measurements to the
  • Output variables of the receiver can be determined.
  • the limitation of the sensitive area of the light receiver exposed to the light to the detection of only a partial cross section of the light beam, which differs from the entire light beam cross section, can be achieved by the
  • GB-OS 20 77 421 it is known to optically measure the path of a measurement object by emitting a light bundle from a light transmitter with light output that is constant over time during the measurement, in the beam path of the light bundle the size of the light beam to a predetermined cross-sectional plane omitted light beam cross-section is changed with the path of the measurement object and the light output is measured over a partial cross-section of the light beam lying in the optical cross-sectional plane and is evaluated to determine the respective distance of the measurement object.
  • a measuring principle different from the measuring principle according to the invention is implemented.
  • the time resolution of the optical path and deformation meter according to the invention is not limited by the measuring principle, but solely by the rate of change of the
  • Light receiver e.g. light intensity / current conversion for the photodiode. Due to the high time resolution, the speed or acceleration can be determined by differentiation according to time.
  • a light source 1 is imaged with the lens 2 on a plane in front of or behind the light receiver 3.
  • the light receiver 3 thus detects only part of the light beam emitted by the light source 1. If the position of one of the elements 1, 2 or 3 is changed along the optical axis of the system, the proportion of the light beam detected by the light receiver 3 also changes.
  • the measurement object is therefore also one of the three optical elements or the object to be examined is rigidly connected to one of the three optical elements, so that the movement of this object can also be detected.
  • the light receiver is located near the point where the light transmitter 1 is imaged by the imaging system 2, the highest sensitivity can be achieved. In this case, a significant part of the total light output that is emitted by the light transmitter is also detected by the light receiver. The signal level is therefore significantly higher than that of optical ones State-of-the-art odometers.
  • FIG. 2 A variant of the measuring method is shown in Fig. 2.
  • the imaging element is a concave mirror 4, from which the light emitted by the light transmitter 1 is reflected to the light receiver 3 located in the vicinity of the light transmitter 1.
  • the mode of operation is as described above, but this variant has the advantage of being compact.
  • the light transmitter 1 and the light receiver 3 can be integrated into one unit. In this case, the distance of the
  • An odometer according to GB-OS 2 160 310 uses a similar configuration as in this case, however the known odometer focuses the light on a reflector with a lens, i.e. the beam path is convergent.
  • the light is not focused on the concave mirror, but on the contrary, the beam path of the light beam incident on the mirror (reflector) is divergent.
  • the arrangement according to the invention is not so sensitive to the tilting of the mirror. In addition, a simpler and more compact structure is achieved.
  • the light can be guided directly or, as can be seen from FIGS. 3 and 4, via light guides 5, 6 connected to the light transmitter 1 or the light receiver 3. In this
  • the light transmitter 1 and / or the light receiver 3 can be placed in a more suitable environment.
  • the partial cross section of the light bundle detected by the light receiver 3 is determined by the end face of the light guide 6 facing away from the receiver 3, to which the light receiver 3 is connected.
  • FIG. 5 shows the structure of a transceiver with
  • the light emitted by the light transmitter is bundled by the converging lens 9 onto one end face of the light guide 7 and from the other end face onto the Hollow mirror 4 emitted, from which the light is reflected back to the light guide 7.
  • the feed and the reflected light are divided by means of a beam splitter 8 formed here from prisms.
  • the lens 10 collects and focuses the light reflected on the beam splitter 8 onto the light receiver 3.
  • the limitation of the light receiver area required for the measuring principle to a partial cross-section of that at the concave mirror 4 reflected light beam also takes place here on the end face of the light guide 7 facing the concave mirror 4 and not on the light receiver 3 itself.
  • Partial cross section of the reflected light bundle takes place at the entry end of the fork light guide 11 facing the concave mirror.
  • the optical fiber bundle 12 which from the bundle section facing the concave mirror 4, on the front side facing the concave mirror, the limitation of the cross-sectional part of the reflected light bundle detected by the receiver 3, to the transmitter 1 and the receiver 4 in the form of Partial fiber bundles branched.
  • the distribution of the transmit / receive optical fibers over the cross section of the optical fiber bundle are possible: concentric, divided, stochastic, etc.
  • the imaging element 2 or 4 deforms and thereby changes its imaging properties, the deformation becomes for fixed components of the system.
  • 8 shows the arrangement of the optical elements for the detection of the deformation of a flexible reflecting membrane 13.
  • the imaging element consists of the lens 2 and the membrane 13 itself, since in general the deformation of the membrane alone would not be sufficient, to do the illustration.
  • the light transmitter and the light receiver, which are not shown in FIG. 8, are coupled via the light guide 12, for example in accordance with FIG. 7.
  • the output signal I of the light receiver 3 will not be proportional to the path x or to the deformation of the measurement object (see FIG. 9).
  • the characteristic curve of the light receiver can be linearized by dimming certain parts of the light bundle. The dimming is done by inserting an optical filter 14 into the optical imaging system. This filter can be attached directly to the lens or on the reflective element or separately in the
  • the transmission T of the filter 14 is not constant on its surface (Fig. 10); Rather, it is designed so that both the non-linearity of the characteristic curve and the inhomogeneous light intensity of the light transmitter 1 are compensated for over the beam surface.
  • the optical filter 14 can be designed with discrete covering segments 15 (FIG. 10a) or by a continuous or discontinuous gray value distribution.
  • the power fed into the light transmitter 1 is adjusted by a control element 16 in such a way that the difference between the signal obtained by the light receiver 3 and a reference signal (setpoint) is minimized. This power is then kept constant during the measurement.
  • FIG. 12 shows the schematic structure of an injector with an integrated needle position sensor according to the invention.
  • the typical structure of an injector consists of a divided nozzle body 17a, 17b and a nozzle needle 18 which is axially movable in 17a.
  • the nozzle needle 18 is pressed by the spring 19 onto the needle seat 21 via the intermediate piece 18a. If the pressure of the fuel in the fuel supply 22 is increased beyond a threshold value determined by the spring 19, the nozzle needle 18 lifts off the needle seat 21 and the fuel flows out of the nozzle 23.
  • a concave mirror 4 is attached or formed on the end face of the intermediate piece 18a facing away from the needle seat 21.
  • a light guide 12 is passed through the nozzle body part 17b and fixed coaxially to the concave mirror 4 by means of a light guide 20, so that the outlet end of the light guide 12 is axially aligned with the concave mirror 4.
  • the light guide coupling at the other end to light transmitter 1 and light receiver 3 takes place as already described.
  • the measuring arrangement preferably corresponds to that from FIGS. 4 to 7.
  • the light receiver 3 supplies a signal which corresponds to the current nozzle needle position with high temporal resolution.
  • the conventional needle stroke transmitters work with an inductive measuring bridge, which requires a carrier frequency amplifier to evaluate the signal. Due to the required carrier frequency, the bandwidth is limited to a maximum of half. The carrier frequency in turn is due to the
  • a known optical embodiment of a needle stroke encoder according to DE-OS 35 15 476 is based on the light barrier principle.
  • the optical structure requires two light guides and two
  • Deflecting mirrors or prisms and an optical diaphragm that is moved by the needle This structure is more complicated than that according to the invention and requires precise positioning of the light guide and deflecting mirror.
  • the reproducibility of the direct component of the light receiver signal is generally not important, but only the alternating components on.
  • the control can also be carried out during operation by constantly comparing the reference signal with the time average of the light receiver signal and minimizing the difference thus obtained by readjusting the power fed into the light transmitter.
  • the optical components of a sensor according to the invention can be designed temperature-resistant with an optical fiber, e.g. Mineral glass light guides, quartz glass lenses, metallic mirrors, the sensor can be used at very high temperatures, because the temperature-sensitive elements (light transmitter, light receiver and possibly evaluation electronics) can be placed coupled outside the high temperature range via the light guide.
  • the temperature-sensitive elements light transmitter, light receiver and possibly evaluation electronics
  • the sensor is also advantageous in systems that do not allow electrical currents (e.g. explosion hazard, in medicine), or in
  • a mirror can also be made only from non-metallic reflective material (e.g. glass or plastic) or the sensor version according to FIG. 1 can be used.
  • optical fiber coupling is also advantageous if the distance from the measuring point to the evaluation point is to be large. Signal transmission by means of fiber optics prevents transmission interference and bandwidth limitation.
  • the senor can be manufactured in any practical size.
  • Miniature versions of interest that can be used in hard-to-reach places (needle lift sensors, subminiature microphones or pressure transducers).

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Abstract

An optical process and device for measuring displacement or deformation is disclosed, in which a light beam is emitted by a light emitter (1) having a time-constant luminous power. By coupling the object to be measured to the light emitter (1), to an optical system (2, 4 to 13) or to an optical light receiver (3), the size of a cross-section of the light beam that coincides with a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam located in the path of the light beam determined by the optical system (2, 4 to 13) changes with the displacement or deformation of the object to be measured. The luminous power, that also changes when the cross-section of the light beam changes, is measured by the optical light receiver (3) only in a partial cross-section of the light beam having predetermined constant dimensions that lies in said optical cross-sectional plane. The thus measured luminous power is evaluated to determine the displacement or deformation of the object to be measured. This measurement principle allows a high measurement resolution in time to be achieved.

Description

Optisches Weg- oder Verformungsmeßverfahren sowie optischer Weg- oder Verformungsmesser Optical displacement or deformation measuring method and optical displacement or deformation meter
Die Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zum Messen des Weges oder der Verformung eines Meßobjektes sowie einen optischen Weg- oder Verformungsmesser mit optischen Elementen aus einem Lichtsender, einem Lichtempfänger und einem den Strahlengang des von dem Lichtsender abgestrahlten Lichtbündel bestimmenden optischen System.The invention relates to an optical method for measuring the path or the deformation of a measurement object as well as an optical path or deformation meter with optical elements comprising a light transmitter, a light receiver and an optical system determining the beam path of the light beam emitted by the light transmitter.
Aus der US-PS 4 865 443 und der DE-OS 36 19 923 sind optische Wegmesser bekannt, die auf dem unbeeinflußten Abfall der Intensität einer Strahlungsquelle mit dem Quadrat derFrom US-PS 4 865 443 and DE-OS 36 19 923 optical odometers are known, based on the unaffected drop in the intensity of a radiation source with the square of
Entfernung basieren. Hierbei darf jedoch der Lichtempfänger sich nicht in der Nähe der Stelle befinden, an welcher der Lichtsender vom abbildenden optischen System abgebildet wird, weil dann der oben beschriebene Abfall der Strahlungsintensität mit dem Quadrat der Entfernung nicht mehr gültig ist.Distance based. In this case, however, the light receiver must not be in the vicinity of the point at which the light transmitter is imaged by the imaging optical system, because then the drop in radiation intensity described above with the square of the distance is no longer valid.
Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein optisches Verfahren zum Messen des Weges oder der Verformung eines Meßobjektes sowie einen optischen Weg- oder Verformungsmesser zu schaffen und derart zu gestalten, daß eine hohe zeitliche Auflösung der Messungen erzielbar ist.The object of the invention is to provide an optical method for measuring the path or the deformation of a measurement object and an optical path or deformation meter and to design such that a high temporal resolution of the measurements can be achieved.
Gemäß der Erfindung werden bei dem optischen Verfahren von einem Lichtsender mit während der Messung zeitlich konstanter oder konstantgehaltener Lichtleistung ein Lichtbündel abgestrahlt, im Strahlengang des Lichtbündels die Größe des auf eine vorbestimmte optische Querschnittsebene des Lichtbündels entfallenden Lichtbündelquerschnitts mit dem Weg bzw. der Verformung des Meßobjektes geändert und die Lichtleistung nur über einen eine vorbestimmte konstante Flächengröße aufweisenden, in der optischen Querschnittsebene liegenden, von dem in der optischen Querschnittsebene liegenden Gesamtquerschnitt des Lichtbündels verschiedenen Teilquerschnitt des Lichtbündels hin gemessen und zur Bestimmung des jeweiligen Weges bzw. der jeweiligen Verformung des Meßobjektes ausgewertet.According to the invention, in the optical method, a light beam is emitted from a light transmitter with a light output that is constant or kept constant during the measurement, in the beam path of the light beam the size of the light beam cross-section that falls on a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam is changed with the path or the deformation of the measurement object and the light output only over a predetermined constant area size, lying in the optical cross-sectional plane, different from the total cross-section lying in the optical cross-sectional plane Partial cross-section of the light beam measured and evaluated to determine the respective path or the respective deformation of the measurement object.
Der optische Weg- oder Verformungsmesser gemäß der Erfindung weist optische Elemente aus einem ein Lichtbündel abstrahlenden Lichtsender mit während der Messung zeitlich konstanter oder konstantgehaltener Lichtleistung, einem den Strahlengang des Lichtbündels bestimmenden optischen System und einem in dem Strahlengang angeordneten Lichtempfänger auf, wobei wenigstens eines dieser optischen Elemente mit dem Meßobjekt derart gekoppelt ist oder von diesem gebildet wird, daß die Flächengröße des auf eine vorbestimmte optische Querschnittsebene des Lichtbündels entfallenden Lichtbündelquerschnitts in Abhängigkeit von einer Änderung des Ortes bzw. des Verformungsmaßes des Meßobjektes geändert wird, und wobei der Lichtempfänger zur Messung der Lichtleistung nur über einen eine vorbestimmte konstante Größe aufweisenden, in der optischen Querschnittsebene liegenden Teilquerschnitt des Lichtbündels hin angeordnet und/oder ausgelegt ist, der von dessen Gesamtquerschnitt in der optischen Querschnittsebene verschieden ist.The optical path or deformation meter according to the invention has optical elements from a light emitter that emits a light beam with light output that is constant or kept constant during the measurement, an optical system that determines the beam path of the light beam, and a light receiver arranged in the beam path, at least one of which is optical Elements is coupled to the measurement object or is formed by the latter in such a way that the area size of the light beam cross-section which falls on a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam is changed as a function of a change in the location or the degree of deformation of the measurement object, and the light receiver for measuring the light output is arranged and / or designed only over a partial cross-section of the light bundle which has a predetermined constant size and lies in the optical cross-sectional plane and which is different from its total cross-section in the optical cross-sectional plane is different.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der ünteransprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß der Erfindung besteht somit der Weg- oder Verformungsmesser aus einem ein Lichtbündel aussendenden Lichtsender begrenzter Ausdehnung (z.B. einer lichtemittierenden Diode (LED) oder aus dem Ende eines mit Licht eingespeisten Lichtleiters) und zeitlich konstanter abgestrahlter Lichtleistung, einem abbildenden optischen System (z.B. Hohlspiegel oder Linse) und einem Lichtempfänger mit begrenzter empfindlicher Fläche (z.B. Photodiode) . Das Funktionsprinzip basiert auf der Veränderung der Lichtleistung, die mit der begrenzten empfindlichen Fläche des Lichtempfängers erfaßt wird. Zur Veränderung der Lichtleistung ist das Meßobjekt mit einem der genannten optischen Elemente starr gekoppelt oder an diesem ausgebildet. Der Lichtempfänger oder die Eintrittsfläche eines an diesen angeschlossenen Lichtleiters befindet sich in einem konvergenten oder divergenten Lichtstrahlengang, dessen Öffnungswinkel aufgrund der Ankopplung des Meßobjektes sich bei dessen Bewegung ändert, so daß sich entsprechend der Lichtbündelquerschnitt und damit die Lichtintensität über denselben und damit auch die Lichtintensität über die vom Lichtempfänger erfaßte, in ihrer Größe konstant bleibende Teilquerschnittsfläche hin ändern und die vom Lichtempfänger gemessene und in ein elektrisches Signal umgewandelte Lichtintensität (der Quotient aus Lichtleistung und Fläche) von der Entfernung des Meßobjektes bzw. von dessen Verformungsmaß abhängt. Diese Abhängigkeit kann durch Eichen des Weg- oder Verformungsmessers durch das entsprechende Zuordnen mechanisch gemessener Längenmeßwerte zu denAccording to the invention, the displacement or deformation meter thus consists of a light transmitter of limited extent emitting a light bundle (e.g. a light-emitting diode (LED) or of the end of a light guide fed in with light) and light output emitted at a constant time, an imaging optical system (e.g. concave mirror or Lens) and a light receiver with a limited sensitive area (e.g. photodiode). The operating principle is based on the change in light output, which is detected with the limited sensitive area of the light receiver. To change the light output, the test object is rigid with one of the optical elements mentioned coupled or trained on this. The light receiver or the entrance surface of a light guide connected to it is located in a convergent or divergent light beam path, the opening angle of which changes due to the coupling of the measurement object during its movement, so that the cross section of the light beam and thus the light intensity above it and thus also the light intensity above change the partial cross-sectional area detected by the light receiver, which remains constant in size, and the light intensity measured by the light receiver and converted into an electrical signal (the quotient of light output and area) depends on the distance of the measurement object or its degree of deformation. This dependency can be verified by calibrating the displacement or deformation meter by appropriately assigning mechanically measured length measurements to the
Ausgangsgrößen des Empfängers bestimmt werden. Die Begrenzung der dem Licht ausgesetzten empfindlichen Fläche des Lichtempfängers auf die Erfassung lediglich eines TeilquerSchnitts des Lichtbündels, der von dem gesamten Lichtbündelquerschnitt verschieden ist, kann durch dieOutput variables of the receiver can be determined. The limitation of the sensitive area of the light receiver exposed to the light to the detection of only a partial cross section of the light beam, which differs from the entire light beam cross section, can be achieved by the
Geometrie des Lichtempfängers selber, durch einen Lichtleiter oder durch eine Blende od. dergl. erfolgen.Geometry of the light receiver itself, through a light guide or through an aperture or the like.
Aus der GB-OS 20 77 421 ist es zwar bekannt, den Weg eines Meßobjektes optisch zu messen, indem von einem Lichtsender mit während der Messung zeitlich konstanter Lichtleistung ein Lichtbündel abgestrahlt wird, im Strahlengang des Lichtbündels die Größe des auf eine vorbestimmte Querschnittsebene des Lichtbündels entfallenden Lichtbündelquerschnitts mit dem Weg des Meßobjektes geändert wird und die Lichtleistung über einen in der optischen Querschnittsebene liegenden Teilquerschnitt des Lichtbündels hin gemessen und zur Bestimmung des jeweiligen Abstandes des Meßobjektes ausgewertet wird. Hierbei wird jedoch ein von dem erfindungsgemäßen Meßprinzip verschiedenes Meßprinzip verwirklicht. Es wird nämlich die chromatische Aberration einer optischen Linse zur Änderung der Differenz oder des Verhältnisses der Anteile von Lichtkomponenten deutlich unterschiedlicher Wellenlänge, z.B. roten und blauen Lichtkomponenten ausgenutzt, die auf eine ringförmige Eintrittsfläche eines Empfängerlichtleiters von einem das Meßobjekt bildenden Reflektor durch die Linse hindurch aufgestrahlt und daher von zwei zugeordneten Empfängern erfaßt werden. Da sich hierbei der Teilquerschnitt des Lichtbündels, der sich mit der Eintrittsfläche des Empfängerlichtleiters je nach Größe der jeweiligen Abweichung des Reflektors von seiner Nullstellung mehr oder weniger weit überlappt, bestimmungsgemäß ändern muß, ist dieser Teilquerschnitt des Lichtbündels im Gegensatz zu der Erfindung nicht konstant, sondern mit dem Weg des Meßobjektes veränderlich.From GB-OS 20 77 421 it is known to optically measure the path of a measurement object by emitting a light bundle from a light transmitter with light output that is constant over time during the measurement, in the beam path of the light bundle the size of the light beam to a predetermined cross-sectional plane omitted light beam cross-section is changed with the path of the measurement object and the light output is measured over a partial cross-section of the light beam lying in the optical cross-sectional plane and is evaluated to determine the respective distance of the measurement object. Here, however, a measuring principle different from the measuring principle according to the invention is implemented. It is namely the chromatic aberration of an optical lens for changing the difference or the ratio of the proportions of light components of clearly different wavelengths, for example red and blue Light components are used, which are emitted onto an annular entrance surface of a receiver light guide by a reflector forming the measurement object through the lens and are therefore detected by two assigned receivers. Since the partial cross-section of the light beam, which overlaps more or less with the entry surface of the receiver light guide depending on the size of the respective deviation of the reflector from its zero position, must change as intended, in contrast to the invention, this partial cross-section of the light beam is not constant, but changeable with the path of the measurement object.
Die Zeitauflösung des erfindungsgemäßen optischen Weg- und Verformungsmessers ist nicht vom Meßprinzip her begrenzt, sondern alleine durch die Wandlungsgeschwindigkeit desThe time resolution of the optical path and deformation meter according to the invention is not limited by the measuring principle, but solely by the rate of change of the
Lichtempfängers (z.B. Lichtintensität/Strom-Umwandlung bei der Photodiode). Aufgrund der hohen Zeitauflösung lassen sich durch Differenzierung nach der Zeit die Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung ermitteln.Light receiver (e.g. light intensity / current conversion for the photodiode). Due to the high time resolution, the speed or acceleration can be determined by differentiation according to time.
Das Prinzip wird an Hand von Fig. 1 näher erläutert. Eine Lichtquelle 1 wird mit der Linse 2 auf eine Ebene vor bzw. hinter dem Lichtempfänger 3 abgebildet. Der Lichtempfänger 3 erfaßt somit nur einen Teil des von der Lichtquelle 1 abgestrahlten Lichtbündels. Wenn nun die Position eines der Elemente 1, 2 oder 3 entlang der optischen Achse des Systems verändert wird, ändert sich damit auch der Anteil des von dem Lichtempfänger 3 erfaßten Lichtbündels. Je nach Auslegung ist daher das Meßobjekt zugleich eines der drei optischen Elemente oder es wird das zu untersuchende Objekt starr mit einem der drei optischen Elemente verbunden, so daß auch die Bewegung dieses Objektes erfaßt werden kann. Wenn sich der Lichtempfänger in der Nähe des Punktes befindet, wo der Lichtsender 1 vom abbildenden System 2 abgebildet wird, ist die höchste Empfindlichkeit erreichbar. In diesem Fall wird auch ein erheblicher Teil der gesamten Lichtleistung, die vom Lichtsender abgestrahlt wird, vom Lichtempfänger erfaßt. Das Signalniveau ist deshalb deutlich höher als das von optischen Wegmessern nach dem Stand der Technik.The principle is explained in more detail with reference to FIG. 1. A light source 1 is imaged with the lens 2 on a plane in front of or behind the light receiver 3. The light receiver 3 thus detects only part of the light beam emitted by the light source 1. If the position of one of the elements 1, 2 or 3 is changed along the optical axis of the system, the proportion of the light beam detected by the light receiver 3 also changes. Depending on the design, the measurement object is therefore also one of the three optical elements or the object to be examined is rigidly connected to one of the three optical elements, so that the movement of this object can also be detected. If the light receiver is located near the point where the light transmitter 1 is imaged by the imaging system 2, the highest sensitivity can be achieved. In this case, a significant part of the total light output that is emitted by the light transmitter is also detected by the light receiver. The signal level is therefore significantly higher than that of optical ones State-of-the-art odometers.
Eine Variante des Meßverfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist das abbildende Element ein Hohlspiegel 4, von dem das vom Lichtsender 1 abgstrahlte Licht zu dem sich in der Nähe des Lichtsenders 1 befindenden Lichtempfänger 3 reflektiert wird. Die Funktionsweise ist wie oben beschrieben, jedoch hat diese Variante den Vorteil der Kompaktheit. Weiterhin können der Lichtsender 1 und der Lichtempfänger 3 zu einer Einheit integriert werden. In diesem Fall wird der Abstand desA variant of the measuring method is shown in Fig. 2. Here the imaging element is a concave mirror 4, from which the light emitted by the light transmitter 1 is reflected to the light receiver 3 located in the vicinity of the light transmitter 1. The mode of operation is as described above, but this variant has the advantage of being compact. Furthermore, the light transmitter 1 and the light receiver 3 can be integrated into one unit. In this case, the distance of the
Hohlspiegels 4 von der Sende-Empfangseinheit 1, 3 gemessen. Ein Wegmesser nach der GB-OS 2 160 310 benutzt eine ähnliche Konfiguration wie in diesem Fall, jedoch fokussiert der bekannte Wegmesser das Licht auf einen Reflektor mit einer Linse, d.h. der Strahlengang ist konvergent. Demgegenüber wird bei der Erfindung das Licht nicht auf den Hohlspiegel fokussiert, sondern der Strahlengang des auf den Spiegel (Reflektor) auftreffenden Lichtbündels ist im Gegenteil divergent. Die Anordnung nach der Erfindung ist nicht so empfindlich auf das Verkippen des Spiegels. Außerdem wird ein einfacherer und kompakterer Aufbau erreicht.Concave mirror 4 measured by the transceiver 1, 3. An odometer according to GB-OS 2 160 310 uses a similar configuration as in this case, however the known odometer focuses the light on a reflector with a lens, i.e. the beam path is convergent. In contrast, in the case of the invention, the light is not focused on the concave mirror, but on the contrary, the beam path of the light beam incident on the mirror (reflector) is divergent. The arrangement according to the invention is not so sensitive to the tilting of the mirror. In addition, a simpler and more compact structure is achieved.
Das Licht kann direkt oder wie aus den Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich, über an den Lichtsender 1 bzw. den Lichtempfänger 3 angeschlossene Lichtleiter 5, 6 geführt werden. In diesemThe light can be guided directly or, as can be seen from FIGS. 3 and 4, via light guides 5, 6 connected to the light transmitter 1 or the light receiver 3. In this
Fall können der Lichtsender 1 und/oder der Lichtempfänger 3 in einer besser geeigneten Umgebung plaziert werden. Gemäß den Fig. 3 und 4 wird der vom Lichtempfänger 3 erfaßte Teilquerschnitt des Lichtbündels von der dem Emfänger 3 abgewandten Stirnfläche des Lichtleiters 6 bestimmt, an den der Lichtempfänger 3 angeschlossen ist.In this case, the light transmitter 1 and / or the light receiver 3 can be placed in a more suitable environment. 3 and 4, the partial cross section of the light bundle detected by the light receiver 3 is determined by the end face of the light guide 6 facing away from the receiver 3, to which the light receiver 3 is connected.
Für den Fall einer kombinierten Sende- und Empfangseinheit mit einem Lichtleiter sind verschiedene Anordnungen möglich. Fig. 5 stellt den Aufbau einer Sende-Empfangseinheit mit einemIn the case of a combined transmitter and receiver unit with an optical fiber, various arrangements are possible. Fig. 5 shows the structure of a transceiver with
Lichtleiter 7 dar. Das vom Lichtsender abgestrahlte Licht wird von der Sammellinse 9 auf die eine Stirnfläche des Lichtleiters 7 gebündelt und von dessen anderen Stirnfläche auf den Hohlspiegel 4 abgestrahlt, von dem das Licht zurück zu dem Lichtleiter 7 reflektiert wird. Die Aufteilung des eingespeisten und des reflektierten Lichtes erfolgt mittels eines hier aus Prismen gebildeten Strahlteilers 8. Die Linse 10 sammelt und fokussiert das am Strahlteiler 8 reflektierte Licht auf den Lichtempfänger 3. Die für das Meßprinzip erforderliche Begrenzung der Lichtempfängerfläche auf einen Teilquerschnitt des an dem Hohlspiegel 4 reflektierten Lichtstrahlenbündels erfolgt auch hier an der dem Hohlspiegel 4 zugewandten Stirnseite des Lichtleiters 7 und nicht an dem Lichtempfänger 3 selbst.The light emitted by the light transmitter is bundled by the converging lens 9 onto one end face of the light guide 7 and from the other end face onto the Hollow mirror 4 emitted, from which the light is reflected back to the light guide 7. The feed and the reflected light are divided by means of a beam splitter 8 formed here from prisms. The lens 10 collects and focuses the light reflected on the beam splitter 8 onto the light receiver 3. The limitation of the light receiver area required for the measuring principle to a partial cross-section of that at the concave mirror 4 reflected light beam also takes place here on the end face of the light guide 7 facing the concave mirror 4 and not on the light receiver 3 itself.
Aus Fig. 6 ist eine Aufteilung des Lichtes mit einem Gabellichtleiter 11 ersichtlich, von dem das in den einen Zweig des Lichtleiters 11 vom Lichtsender 1 eingespeiste Licht auf den Hohlspiegel 4 abgestrahlt wird, der das Lichtbündel zurück zu dem Lichtleiter 11 reflektiert, von dem ein begrenzter Teil des Lichtbündels zu dem am anderen Zweig des Lichtleiters 11 angeschlossenen Lichtempfänger 3 geleitet wird. Die Begrenzung des von dem Lichtempfänger erfaßten Lichtes auf einen6 shows a distribution of the light with a fork light guide 11, from which the light fed into one branch of the light guide 11 by the light transmitter 1 is emitted onto the concave mirror 4, which reflects the light bundle back to the light guide 11, from which a limited part of the light beam is directed to the light receiver 3 connected to the other branch of the light guide 11. The limitation of the light detected by the light receiver to one
Teilquerschnitt des reflektierten Lichtbündels erfolgt an der dem Hohlspiegel zugewandten Eintrittsende des Gabellichtleiters 11.Partial cross section of the reflected light bundle takes place at the entry end of the fork light guide 11 facing the concave mirror.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 wird die Aufteilung des7, the division of the
Lichtes mit dem Lichtfaserbündel 12 erreicht, welches sich von dem dem Hohlspiegel 4 zugewandten Bündelabschnitt aus, an dessen dem Hohlspiegel zugewandten Stirnseite die Begrenzung des von dem Empfänger 3 erfaßten Querschnittsteils des reflektierten Lichtbündels erfolgt, zu dem Sender 1 und dem Empfänger 4 hin in Form von Teillichtfaserbündeln verzweigt. Hierbei sind mehrere Varianten der Verteilung der Sende/Empfangs-Lichtfasern auf den Querschnitt des Lichtfaserbündels möglich: konzentrisch, geteilt, stochastisch usw..Reached light with the optical fiber bundle 12, which from the bundle section facing the concave mirror 4, on the front side facing the concave mirror, the limitation of the cross-sectional part of the reflected light bundle detected by the receiver 3, to the transmitter 1 and the receiver 4 in the form of Partial fiber bundles branched. Here, several variants of the distribution of the transmit / receive optical fibers over the cross section of the optical fiber bundle are possible: concentric, divided, stochastic, etc.
Verformt sich das abbildende Element 2 oder 4 und ändert dadurch seine Abbildungseigenschaften, so wird die Verformung bei ortsfesten Bestandteilen des Systems erfaßt. Fig. 8 stellt die Anordnung der optischen Elemente für die Erfassung der Verformung einer flexiblen reflektierenden Membran 13 dar. In diesem Falle besteht das abbildende Element aus der Linse 2 und der Membran 13 selber, da im allgemeinen die Verformung der Membran allein nicht ausreichen würde, um die Abbildung zu bewerkstelligen. Der Lichtsender und der Lichtempfänger, die in Fig. 8 nicht dargestellt sind, sind über den Lichtleiter 12 z.B. entsprechend Fig. 7 angekoppelt.If the imaging element 2 or 4 deforms and thereby changes its imaging properties, the deformation becomes for fixed components of the system. 8 shows the arrangement of the optical elements for the detection of the deformation of a flexible reflecting membrane 13. In this case the imaging element consists of the lens 2 and the membrane 13 itself, since in general the deformation of the membrane alone would not be sufficient, to do the illustration. The light transmitter and the light receiver, which are not shown in FIG. 8, are coupled via the light guide 12, for example in accordance with FIG. 7.
Im allgemeinen wird das AusgangsSignal I des Lichtempfängers 3 nicht proportional zum Weg x bzw. zur Verformung des Meßobjektes sein, (s. Fig. 9). Da aber für jede Position des Meßobjektes ein bestimmter Teil des Lichtbündels vom Lichtempfänger erfaßt wird, kann durch Abblenden bestimmter Teile des Lichtbündels eine Linearisierung der Kennlinie des Lichtempfängers erfolgen. Das Abblenden geschieht durch Einfügung eines optischen Filters 14 in das optische abbildende System. Dieser Filter kann direkt auf der Linse bzw. auf dem reflektierenden Element angebracht oder auch separat in denIn general, the output signal I of the light receiver 3 will not be proportional to the path x or to the deformation of the measurement object (see FIG. 9). However, since a certain part of the light bundle is detected by the light receiver for each position of the measurement object, the characteristic curve of the light receiver can be linearized by dimming certain parts of the light bundle. The dimming is done by inserting an optical filter 14 into the optical imaging system. This filter can be attached directly to the lens or on the reflective element or separately in the
Strahlengang eingefügt werden. Die Transmission T des Filters 14 ist nicht konstant auf seiner Fläche (Fig. 10); sie wird vielmehr so gestaltet, daß sowohl die Nichtlinearität der Kennlinie als auch die über die Strahlbündelfläche inhomogene Lichtintensität des Lichtsenders 1 ausgeglichen werden. Die Gestaltung des optischen Filters 14 kann mit diskret abdeckenden Segmenten 15 (Fig. 10a) oder durch eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Grauwertverteilung erfolgen.Beam path can be inserted. The transmission T of the filter 14 is not constant on its surface (Fig. 10); Rather, it is designed so that both the non-linearity of the characteristic curve and the inhomogeneous light intensity of the light transmitter 1 are compensated for over the beam surface. The optical filter 14 can be designed with discrete covering segments 15 (FIG. 10a) or by a continuous or discontinuous gray value distribution.
Bisher ist davon ausgegangen worden, daß ein ausreichendes Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal vorliegt. Wenn dies nicht zutreffend ist, so kann durch eine Amplitudenmodulation des Lichtsendersignals und eine synchrone Demodulation des Lichtempfängersignals (z.B. phasenempfindliche Gleichrichtung) eine erhebliche Verminderung des Störpegels erreicht werden, wobei die Bandbreite des Systems zu hohen Frequenzen hin durch die Modulationsfrequenz bestimmt wird. Die Alterungsprozesse der elektronischen Komponenten sowie Verschleiß und Verschmutzung der optischen Elemente können zur Dejustierung des Systems führen und sich somit negativ auf die Reproduzierbarkeit der Messungen auswirken. Bei Anwendungen, wo es auf die Reproduzierbarkeit der Messung ankommt (kalibrierte Sensoren wie Druckwandler, Mikrophone oder absolute Wegmesser) können diese Effekte durch die Regelung der in den Lichtsender 1 eingespeisten Leistung weitgehend kompensiert werden.So far it has been assumed that there is a sufficient ratio of useful signal to interference signal. If this is not the case, an amplitude modulation of the light transmitter signal and a synchronous demodulation of the light receiver signal (e.g. phase-sensitive rectification) can significantly reduce the interference level, the bandwidth of the system being determined at high frequencies by the modulation frequency. The aging processes of the electronic components as well as wear and soiling of the optical elements can lead to misalignment of the system and thus have a negative impact on the reproducibility of the measurements. In applications where the reproducibility of the measurement is important (calibrated sensors such as pressure transducers, microphones or absolute displacement sensors), these effects can be largely compensated for by regulating the power fed into the light transmitter 1.
Diese Regelung kann auf folgende Weise erfolgen (Fig.11):This can be done in the following way (Fig. 11):
Befindet sich das System in der Ruhestellung, so wird die in den Lichtsender 1 eingespeiste Leistung von einem Regelglied 16 so eingestellt, daß die Differenz zwischen dem von dem Lichtempfänger 3 gewonnenen Signal und einem Referenzsignal (Sollwert) minimiert wird. Diese Leistung wird dann während der Messung konstantgehalten.If the system is in the rest position, the power fed into the light transmitter 1 is adjusted by a control element 16 in such a way that the difference between the signal obtained by the light receiver 3 and a reference signal (setpoint) is minimized. This power is then kept constant during the measurement.
Fig. 12 stellt den schematischen Aufbau eines Injektors mit integriertem Nadelpositionsgeber nach der Erfindung dar. Der typische Aufbau eines Injektors besteht aus einem geteilten Düsenkörper 17a, 17b sowie einer Düsennadel 18, die in 17a axial beweglich ist. Die Düsennadel 18 wird über das Zwischenstück 18a von der Feder 19 an den Nadelsitz 21 gedrückt. Wenn der Druck des Kraftstoffs in der KraftstoffZuführung 22 über einen von der Feder 19 bestimmten Schwellenwert hinaus erhöht wird, hebt die Düsennadel 18 vom Nadelsitz 21 ab und der Kraftstoff strömt aus der Düse 23 heraus.12 shows the schematic structure of an injector with an integrated needle position sensor according to the invention. The typical structure of an injector consists of a divided nozzle body 17a, 17b and a nozzle needle 18 which is axially movable in 17a. The nozzle needle 18 is pressed by the spring 19 onto the needle seat 21 via the intermediate piece 18a. If the pressure of the fuel in the fuel supply 22 is increased beyond a threshold value determined by the spring 19, the nozzle needle 18 lifts off the needle seat 21 and the fuel flows out of the nozzle 23.
Dies ist in groben Zügen die Funktionsweise eines typischen Injektors. Welche Kraftstoffmenge durch die Düse 23 pro Zeiteinheit ausströmt, wird durch die jeweiligen Düsennadelpositionen bestimmt. Eine Kenntnis der jeweiligen momentanen Position der Düsennadel mit hoher Zeitauflösung erlaubt daher eine genaue Dosierung des Kraftstoffs und dieBroadly speaking, this is how a typical injector works. The amount of fuel flowing out through the nozzle 23 per unit of time is determined by the respective nozzle needle positions. Knowing the respective current position of the nozzle needle with high time resolution therefore allows an exact metering of the fuel and the
Optimierung des VerbrennungsVorganges im Motor. Um zur Kenntnis der jeweiligen momentanen Nadelposition zu gelangen, kann der Injektor um folgende Elemente nach der Erfindung ergänzt werden. An der dem Nadelsitz 21 abgewandten Stirnfläche des Zwischenstücks 18a wird ein Hohlspiegel 4 angebracht oder ausgebildet. Durch den Düsenkörperteil 17b wird im Ausführungsbeispiel ein Lichtleiter 12 hindurchgeführt und mittels einer Lichtleiterführung 20 koaxial zu dem Hohlspiegel 4 festgelegt, so daß das Austrittsende des Lichtleiters 12 axial auf den Hohlspiegel 4 ausgerichtet ist. Es können jedoch auch mehrere Lichtleiter verwendet werden. Die Lichtleiterankopplung am anderen Ende an Lichtsender 1 und Lichtempfänger 3 erfolgt wie bereits beschrieben. Vorzugsweise entspricht die Meßanordnung derjenigen aus den Figuren 4 bis 7. Der Lichtempfänger 3 liefert ein Signal, das mit hoher zeitlicher Auflösung der momentanen Düsennadelposition entspricht.Optimization of the combustion process in the engine. In order to obtain knowledge of the respective current needle position, the injector can be supplemented with the following elements according to the invention become. A concave mirror 4 is attached or formed on the end face of the intermediate piece 18a facing away from the needle seat 21. In the exemplary embodiment, a light guide 12 is passed through the nozzle body part 17b and fixed coaxially to the concave mirror 4 by means of a light guide 20, so that the outlet end of the light guide 12 is axially aligned with the concave mirror 4. However, several light guides can also be used. The light guide coupling at the other end to light transmitter 1 and light receiver 3 takes place as already described. The measuring arrangement preferably corresponds to that from FIGS. 4 to 7. The light receiver 3 supplies a signal which corresponds to the current nozzle needle position with high temporal resolution.
Die herkömmlichen Nadelhubgeber (BOSCH) funktionieren mit einer induktiven Meßbrücke, die einen Trägerfrequenzverstärker zur Auswertung des Signals benötigt. Durch die benötigte Trägerfrequenz ist die Bandbreite auf maximal deren Hälfte begrenzt. Die Trägerfrequenz ihrerseits ist durch dieThe conventional needle stroke transmitters (BOSCH) work with an inductive measuring bridge, which requires a carrier frequency amplifier to evaluate the signal. Due to the required carrier frequency, the bandwidth is limited to a maximum of half. The carrier frequency in turn is due to the
Konstruktion und die magnetischen Eigenschaften des Gebers begrenzt (ca. 50 kHz). Der Aufwand, winzige Spulen in den Injektorkörper einzubauen, ist nicht unerheblich. Solche Geber wurden bisher nur für Labormessungen benutzt, da wahrscheinlich die Auswerteelektronik zu teuer, empfindlich und unzuverlässig für den Einsatz im Kraftfahrzeug ist.Construction and the magnetic properties of the encoder are limited (approx. 50 kHz). The effort to install tiny coils in the injector body is not insignificant. Such sensors have so far only been used for laboratory measurements, since the evaluation electronics are probably too expensive, sensitive and unreliable for use in the motor vehicle.
Eine bekannte optische Ausführungsform eines Nadelhubgebers nach der DE-OS 35 15 476 basiert auf dem Lichtschrankenprinzip. Der optische Aufbau erfordert zwei Lichtleiter und zweiA known optical embodiment of a needle stroke encoder according to DE-OS 35 15 476 is based on the light barrier principle. The optical structure requires two light guides and two
Umlenkspiegel oder -prismen und eine optische Blende, die von der Nadel bewegt wird. Dieser Aufbau ist komplizierter als der nach der Erfindung und erfordert eine genaue Positionierung der Lichtleiter und Umlenkspiegel.Deflecting mirrors or prisms and an optical diaphragm that is moved by the needle. This structure is more complicated than that according to the invention and requires precise positioning of the light guide and deflecting mirror.
Bei der Anwendung des Systems als Mikrophon kommt es im allgemeinen nicht auf die Reproduzierbarkeit des Gleichanteils des Lichtempfängersignals, sondern nur auf die Wechselanteile an. In diesem Fall kann die Regelung auch während des Betriebes erfolgen, indem das Referenzsignal ständig mit dem zeitlichen Mittelwert des Lichtempfängersignals verglichen wird und die so gewonnene Differenz durch Nachregelung der in den Lichtsender eingespeisten Leistung minimiert wird.When the system is used as a microphone, the reproducibility of the direct component of the light receiver signal is generally not important, but only the alternating components on. In this case, the control can also be carried out during operation by constantly comparing the reference signal with the time average of the light receiver signal and minimizing the difference thus obtained by readjusting the power fed into the light transmitter.
Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:
a) Die zeitliche Auflösung des Signals ist nur durch die Geschwindigkeit der Umwandlung von Lichtintensität in dasa) The temporal resolution of the signal is only by the speed of the conversion of light intensity into that
Nutzsignal begrenzt und nicht durch das Meßprinzip selbst.Limited useful signal and not by the measuring principle itself.
b) Da die optischen Bestandteile eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Lichtleiter temperaturbeständig ausgelegt werden können, z.B. Mineralglaslichtleiter, Quarzglaslinsen, metallische Spiegel, kann der Sensor bei sehr hohen Temperaturen zum Einsatz kommen, denn die temperaturempfindlichen Elemente (Lichtsender, Lichtempfänger und evtl. Auswerteelektronik) können über den Lichtleiter gekoppelt außerhalb des Hochtemperaturbereiches plaziert werden. Entsprechendes gilt ebenso bei anderen widrigen Bedingungen, wie z.B. hohen Drücken, aggressiver Umgebung, elektromagnetischen Störfeldern usw.. Vorteilhaft ist der Sensor auch bei Systemen, die keine elektrischen Ströme zulassen (z.B. Explosionsgefahr, in der Medizin), oder beib) Since the optical components of a sensor according to the invention can be designed temperature-resistant with an optical fiber, e.g. Mineral glass light guides, quartz glass lenses, metallic mirrors, the sensor can be used at very high temperatures, because the temperature-sensitive elements (light transmitter, light receiver and possibly evaluation electronics) can be placed coupled outside the high temperature range via the light guide. The same applies to other adverse conditions, such as high pressures, aggressive environment, electromagnetic interference fields, etc. The sensor is also advantageous in systems that do not allow electrical currents (e.g. explosion hazard, in medicine), or in
Systemen, die Metallfreiheit erfordern. Hier kann ein Spiegel auch nur aus nichtmetallischem reflektierenden Material (z.B. Glas oder Kunststoff) hergestellt werden oder es kann die Sensorversion nach Fig. 1 zum Einsatz kommen.Systems that require freedom from metal. Here, a mirror can also be made only from non-metallic reflective material (e.g. glass or plastic) or the sensor version according to FIG. 1 can be used.
c) Die Lichtleiterankopplung ist auch von Vorteil, wenn die Entfernung vom Meßort zur Auswertestelle groß sein soll. Durch die Signalübertragung mittels Lichtleiter werden ÜbertragungsStörungen und eine Begrenzung der Bandbreite vermieden.c) The optical fiber coupling is also advantageous if the distance from the measuring point to the evaluation point is to be large. Signal transmission by means of fiber optics prevents transmission interference and bandwidth limitation.
d) Je nach Anwendung kann der Sensor in jeder beliebigen praktischen Größe hergestellt werden. Insbesondere sind Miniaturausführungen von Interesse, die an schwerzugänglichen Stellen einsetzbar sind (Nadelhubgeber, Subminiatur-Mikrofone oder Druckwandler) .d) Depending on the application, the sensor can be manufactured in any practical size. In particular are Miniature versions of interest that can be used in hard-to-reach places (needle lift sensors, subminiature microphones or pressure transducers).
e) Durch die kostengünstige und einfache Bauweise eignet sich der Sensor gut für die Serienproduktion. e) Due to the inexpensive and simple design, the sensor is well suited for series production.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Optisches Verfahren zum Messen des Weges oder der Verformung eines Meßobjektes, bei welchem von einem Lichtsender mit während der Messung zeitlich konstanter oder konstant gehaltener Lichtleistung ein Lichtbündel abgestrahlt wird, im Strahlengang des Lichtbündels die Größe des auf eine vorbestimmte optische Querschnittsebene des Lichtbündels entfallenden Lichtbündelquerschnitts mit dem Weg bzw. der1. Optical method for measuring the path or the deformation of a measurement object, in which a light beam is emitted by a light transmitter with the light output constant or constant during the measurement, in the beam path of the light beam the size of the light beam cross-section due to a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam with the way or the
Verformung des Meßobjektes geändert wird und die Lichtleistung nur über einen eine vorbestimmte konstante Größe aufweisenden, in der optischen Querschnittsebene liegenden Teilquerschnitt des Lichtbündels hin gemessen und zur Bestimmung des jeweiligen Weges bzw. der jeweiligen Verformung des Meßobjektes ausgewertet wird.Deformation of the measurement object is changed and the light output is measured only over a partial cross-section of the light beam that has a predetermined constant size and lies in the optical cross-sectional plane and is evaluated to determine the respective path or the respective deformation of the measurement object.
2. Optischer Weg- oder Verformungsmesser mit optischen Elementen aus einem ein Lichtbündel abstrahlenden Lichtsender (1) zeitlich konstanter Lichtleistung, einem den Strahlengang des Lichtbündels bestimmenden optischen System (2, 4 bis 13) und einem in dem Strahlengang angeordneten Lichtempfänger (3), wobei wenigstens eines dieser optischen Elemente mit dem Meßobjekt derart gekoppelt ist oder von diesem gebildet wird, daß die Größe des auf eine vorbestimmte optische Querschnittsebene des Lichtbündels entfallenden Lichtbündelquerschnitts in Abhängigkeit von einer Änderung des Ortes bzw. des Verformungsmaßes des Meßobjektes geändert wird, und wobei der Lichtempfänger (3) zur Messung der Lichtleistung nur über einen eine vorbestimmte konstante Größe auf eisenden, in der optischen Querschnittsebene liegenden Teilquerschnitt des Lichtbündels hin angeordnet und/oder ausgelegt ist.2. Optical path or deformation meter with optical elements consisting of a light emitter (1) emitting a light beam (1) with constant light output over time, an optical system (2, 4 to 13) determining the beam path of the light beam and a light receiver (3) arranged in the beam path, whereby at least one of these optical elements is coupled to or is formed by the measurement object in such a way that the size of the cross section of the light beam which is to be accounted for at a predetermined optical cross-sectional plane of the light beam is changed as a function of a change in the location or the degree of deformation of the measurement object, and the light receiver (3) for measuring the light output is arranged and / or designed only over a predetermined constant size on an iron partial cross-section of the light bundle lying in the optical cross-sectional plane.
3. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei das optische System ein optisches Filter (14) aufweist, dessen Transmission örtlich derart unterschiedlich ist, daß eine Linearisierung der Meßkennlinie des Lichtempfängers erfolgt. (Fig.10, 10a) 3. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the optical system has an optical filter (14), the transmission of which is so different locally that a linearization of the measurement characteristic of the light receiver takes place. (Fig. 10, 10a)
4. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei das Meßobjekt ein Hohlspiegel (4) ist, der zugleich das optische System darstellt.4. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the measurement object is a concave mirror (4), which is also the optical system.
5. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei das optische System zur Messung der Verformung eines reflektierenden Meßobjektes (13) von diesem und einer Linse (2) gebildet wird. (Fig.8)5. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the optical system for measuring the deformation of a reflective measurement object (13) is formed by this and a lens (2). (Fig. 8)
6. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei die Größe des von dem Lichtempfänger (3) erfaßten Teilquerschnitts des Lichtbündels mittels einer Blende oder durch die Geometrie des Lichtempfängers selber bestimmt wird.6. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the size of the partial cross-section of the light beam detected by the light receiver (3) is determined by means of an aperture or by the geometry of the light receiver itself.
7. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei das optische System ein den Lichtsender (1) und den Lichtempfänger (3) ankoppelndes, zu diesen hin sortiert verzweigtes Lichtleitfaserbündel (12) oder einen den Lichtsender (1) und den Lichtempfänger (3) ankoppelnden Gabellichtleiter (11) aufweist, von dessen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger abgewandten Stirnfläche die Größe des von dem Lichtempfänger (3) erfaßten Teilquerschnitts des Lichtbündels bestimmt wird. (Fig.7, 6)7. An optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the optical system couples a coupling to the light transmitter (1) and the light receiver (3), sorted towards these branched optical fiber bundles (12) or one of the light transmitter (1) and the light receiver (3 ) Coupling fork light guide (11), from the end face facing away from the light transmitter and the light receiver, the size of the partial cross section of the light beam detected by the light receiver (3) is determined. (Fig.7, 6)
8. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei der Lichtsender (1) und der Lichtempfänger (3) jeweils über einen Lichtleiter (5, 6) angekoppelt sind und die Größe des von dem Lichtempfänger (3) erfaßten Teilquerschnitts des Lichtbündels von der Eingangs-Stirnfläche desjenigen Lichtleiters (6) bestimmt wird, der an den Lichtempfänger (3) angeschlossen ist. (Fig.3, 4)8. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the light transmitter (1) and the light receiver (3) are each coupled via a light guide (5, 6) and the size of the partial cross-section of the light beam detected by the light receiver (3) Input face of the light guide (6) is determined, which is connected to the light receiver (3). (Fig. 3, 4)
9. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 5, wobei das reflektierende Meßobjekt (13) die Membran eines Mikrophons oder eines Druckwandlers ist.9. Optical displacement or deformation meter according to claim 5, wherein the reflective measurement object (13) is the membrane of a microphone or a pressure transducer.
10. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 4, wobei der Hohlspiegel (4) die Kalotte, Membran bzw. die Staubschutzkalotte eines Lautsprechers ist.10. Optical path or deformation meter according to claim 4, wherein the concave mirror (4) the calotte, membrane or the Dust protection cap of a loudspeaker is.
11. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 4, wobei zur Messung der jeweiligen momentanen Position der Düsennadel (18) einer Einspritzdüse der Hohlspiegel (4) an der Düsennadel (18) ausgebildet ist. (Fig.12)11. Optical displacement or deformation meter according to claim 4, wherein for measuring the respective current position of the nozzle needle (18) of an injection nozzle, the concave mirror (4) is formed on the nozzle needle (18). (Fig.12)
12. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei der Lichtsender (1) amplitudenmoduliert ist und das Signal des Lichtempfängers (3) einer phasenempfindlichen Demodulation unterworfen wird.12. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein the light transmitter (1) is amplitude modulated and the signal of the light receiver (3) is subjected to phase-sensitive demodulation.
13. Optischer Weg- oder Verformungsmesser nach Anspruch 2, wobei zur Kalibrierung die in den Lichtsender (1) eingespeiste Leistung vom Lichtempfängersignal nachgeregelt wird. 13. Optical displacement or deformation meter according to claim 2, wherein for calibration the power fed into the light transmitter (1) is readjusted by the light receiver signal.
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