WO2010017992A1 - Wegsensor - Google Patents

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WO2010017992A1
WO2010017992A1 PCT/EP2009/005902 EP2009005902W WO2010017992A1 WO 2010017992 A1 WO2010017992 A1 WO 2010017992A1 EP 2009005902 W EP2009005902 W EP 2009005902W WO 2010017992 A1 WO2010017992 A1 WO 2010017992A1
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WO
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optical waveguide
sleeve
optical
core
ambient light
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PCT/EP2009/005902
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English (en)
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Inventor
Markus Koch
Oliver STÜBBE
Hans-Jürgen SCHRAGE
Original Assignee
Universität Paderborn
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING 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
    • G01D5/00—Mechanical 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
    • G01D5/26—Mechanical 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
    • G01D5/268—Mechanical 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 using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Definitions

  • the invention relates to fiber optic systems for the measurement of positions and movements.
  • An optical fiber transmits an optical signal by preventing the signal in the core of the conductor from leaving the conductor by total reflection at the interface to an external medium. This was achieved that the transmission can be done as with an electrical cable. This principle is well known and described in many textbooks. Recently, a large number of sensors have become known which use optical light guides. For example, fiber optic flexure sensors are described in US 5,321,257. In this case, sensitive areas are generated on a part of the fiber due to disruption of the surface, which observe significant differences in the transmission power when diffracting the fiber.
  • the present invention has for its object to provide a simple displacement sensor for the measurement of positions in one dimension.
  • the moving should be any suitable displacement sensor for the measurement of positions in one dimension.
  • Masses should be as small as possible, so that even rapid path changes, which occur for example in vibration measurements, are detectable.
  • the displacement sensor according to the invention has an optical waveguide with a core and a cladding which is at least partially translucent at a first end of the optical waveguide so that ambient light penetrates into the core.
  • a sensor element is mounted at a second end of the optical waveguide.
  • a sleeve is provided which at least partially surrounds the first end of the optical waveguide and is displaceable along the first end, wherein a position of the sleeve can be determined as a function of radiation emitted into the sensor element at the second end of the optical waveguide.
  • the core of the optical waveguide may comprise one or more photoconductive fibers.
  • the present invention offers the advantage that the first end of the optical waveguide represents a completely passive measuring element and there does not have to process any electrical signals which only occur at the second end when optical signals are converted by the sensor element.
  • the displacement sensor according to the invention is therefore usable in particular for potentially explosive areas, since it does not represent a source of interference signals.
  • an ambient light exposed reference sensor element is provided, which is advantageously not shadowed by a sleeve.
  • the reference sensor element is for detecting an intensity of the ambient light to which the first end of the optical waveguide is exposed a variation of the intensity of the ambient light in a position measurement can be compensated.
  • a complex calibration of the sensor element can be omitted with the reference sensor element.
  • two identical optical waveguides are each provided with a sleeve and the sleeves are mechanically coupled such that their displacement acts in opposite directions on the respective first ends of the optical waveguides. This results in an improved measurement accuracy.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a displacement sensor with a light guide
  • FIG. 2 shows a modification of the position sensor shown in FIG. 1 with two identical optical waveguides
  • FIG. 3 shows a diagram for illustrating a functional relationship between the length of an exposed core of an optical waveguide and optical power emitted into the optical waveguide.
  • the displacement sensor shown in Figure 1 comprises an optical fiber 40 having a core and a cladding.
  • the optical waveguide 40 has a sensitive area 42 at a first end.
  • the cladding of the optical waveguide 40 has been removed or rendered permeable. This can be done, for example, by complete or partial grinding or roughening.
  • the sensitive area 42 is exposed to ordinary diffused ambient light 30.
  • the ambient light 30 may penetrate the light pipe 40 via a roughened surface of the core and is transmitted to a second end of the light pipe 40 due to its waveguide property.
  • an intensity meter 20 coupled to the light guide 40 at the second end, an intensity of the ambient light transmitted via the light guide 40 is determined.
  • a cylindrical sleeve 10 including the first end, is slidable along the first end and thus capable of movement in a direction axially of the first end of the light pipe 40.
  • the ambient light 30 is shaded more or less strongly, so that the intensity of the light measured at the second end is dependent on the axial position of the sleeve 10.
  • the respective sleeves are coupled mechanically in opposite directions so that the sum of the ambient light emitted into the two sensitive ends represents the intensity of the ambient light on a light guide without shadowing and can be used by a detector as a reference signal.
  • a particularly simple structure results when using a double sleeve 11, which comprises the sensitive ends of the optical waveguide lengthwise complementary.
  • An axial displacement of the double sleeve 11 in the direction of a double arrow shown in FIG. 2 causes a differential change of the measuring signals at the respectively second ends of the light guides. In this way, with sufficiently diffuse ambient light, the quotient of the two measurement signals is at least in first approximation of the intensity of the diffuse ambient light independently.
  • any other optical sensor can also be used to determine the intensity of the ambient light, if it is not known a priori, for example. If the ambient light is generated in a defined manner, this can of course be dispensed with.
  • a reference size for the ambient light may be used.
  • a second light guide is preferably used, the end of which is arranged in the vicinity of the sensitive end of the first light guide parallel to this, but is not covered by a sleeve 10.
  • a slight variable shading by the sleeve is tolerable and leads by subtraction to a slight change in the sensitivity.
  • the sleeves may be made so short that they do not cover a maximum of, for example, 10% of the length of the respective sensitive end.
  • a length of the sensitive end is then selected which corresponds to the part of the sensitive element not covered by the sleeve. of the optical fiber corresponds; in the present example, 10 'of the length of the sensitive end.
  • a non-covered area can be provided and the sensor can be used in such a way that the sleeve is brought into a position of maximum shadowing during initialization and the value then measured serves as the reference value. Subsequent operating values are then divided by the reference value.

Abstract

Ein Wegsensor umfaßt einen optischen Lichtleiter (40) mit einem Kern und einer Umhüllung, die an einem ersten Ende (42) des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise lichtdurchlässig ist, so dass Umgebungslicht (30) in den Kern eindringt. An einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) ist ein Sensorelement (20) angebracht. Außerdem ist eine Hülse (10) vorgesehen, die das erste Ende des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise umschließt und entlang des ersten Endes verschiebbar ist, wobei eine Position der Hülse (10) als Funktion einer am zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) in das Sensorelement (20) emittierten Strahlung bestimmbar ist.

Description

Beschreibung
Wegsensor
Die Erfindung betrifft faseroptische Systeme zur Messung von Positionen und Bewegungen.
Ein optischer Lichtleiter überträgt ein optisches Signal, indem das Signal im Kern des Leiters am Verlassen des Leiters durch Totalreflexion an dem Übergang zu einem äußeren Medium gehindert wird. Damit ward erreicht, dass die Übertragung wie mit einem elektrischen Kabel erfolgen kann. Dieses Prinzip ist allgemein bekannt und in vielen Lehrbüchern beschrieben. In neuerer Zeit ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt gewor- den, die sich optischer Lichtleiter bedienen. Beispielsweise sind faseroptische Biegesensoren in der US 5,321,257 beschrieben. Hierbei werden auf einem Teil der Faser durch Störung der Oberfläche sensitive Bereiche erzeugt, die bei Beugung der Faser deutliche Unterschiede in der Übertragungs- leistung beobachtet.
In der US 6,965,709 ist ein elektro-optischer Positionssensor beschrieben, der nicht den Verlust von Strahlung benutzt, sondern vielmehr Strahlung in einen optischen Leiter ein- strahlt. Diese Anordnung ist relativ komplex und verwendet eine Hilfslichtquelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Wegsensor für die Messung von Positionen in einer Dimension bereitzustellen. Zusätzlich sollen die bewegten
Massen möglichst klein sein, so dass auch schnelle Wegänderungen, die beispielsweise bei Vibrationsmessungen auftreten, erfassbar sind.
BESTÄTIftUMfiSKOPie Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wegsensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Wegsensor weist einen optischen Lichtleiter mit einem Kern und einer Umhüllung auf, die an einem ersten Ende des optischen Lichtleiters zumindest teilweise lichtdurchlässig ist, so dass Umgebungslicht in den Kern ein- dringt. An einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters ist ein Sensorelement angebracht. Außerdem ist eine Hülse vorgesehen, die das erste Ende des optischen Lichtleiters zumindest teilweise umschließt und entlang des ersten Endes verschiebbar ist, wobei eine Position der Hülse als Funktion ei- ner am zweiten Ende des optischen Lichtleiters in das Sensorelement emittierten Strahlung bestimmbar ist. Der Kern des optischen Lichtleiters kann eine oder mehrere lichtleitende Fasern aufweisen.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, daß das erste Ende des optischen Lichtleiters ein völlig passives Messele- ment darstellt und dort keine elektrischen Signale verarbeitet werden müssen, die erst am zweiten Ende bei einer Umsetzung von optischen Signale durch das Sensorelement entstehen. Der erfindungsgemäße Wegsensor ist damit insbesondere für explosionsgefährdete Bereiche verwendbar, da er keine Störsignalquelle darstellt.
Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein dem Umgebungslicht ausgesetztes Referenzsensorelement vorgesehen, das vorteilhafterweise nicht von einer Hülse abgeschattet ist. Das Referenzsensorelement dient einer Erfassung einer Intensität des Umgebungslichts, dem das erste Ende des optischen Lichtleiters ausgesetzt ist, damit eine Variation der Intensität des Umgebungslichts bei einer Positionsmessung kompensiert werden kann. Außerdem kann mit dem Referenzsensorelement eine aufwendige Kalibrierung des Sensorelements entfallen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind zwei gleichartige optische Lichtleiter mit jeweils einer Hülse vorgesehen und die Hülsen mechanisch so gekoppelt sind, dass ihre Verschiebung gegenläufig auf die je- weils ersten Enden der optischen Lichtleiter wirkt. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Messgenauigkeit.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Wegsensors mit einem Lichtleiter,
Figur 2 eine Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Weg- sensors mit zwei gleichartigen optischen Lichtleitern,
Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen Länge eines freigelegten Kerns eines optischen Lichtleiters und in den Lichtleiter emittierter optischer Leistung.
Der in Figur 1 dargestellte Wegsensor umfaßt einen optischen Lichtleiter 40 mit einem Kern und einer Umhüllung. Der opti- sehe Lichtleiter 40 weist an einem ersten Ende einen sensitiven Bereich 42 auf. Hierzu ist die Umhüllung des optischen Lichtleiters 40 entfernt oder durchlässig gemacht worden. Dies kann beispielsweis-e durch vollständiges oder partielles Abschleifen oder Aufrauhen erfolgen. Der sensitive Bereich 42 wird üblichem diffusem Umgebungslicht 30 ausgesetzt. Das Umgebungslicht 30 kann über eine aufgerauhte Oberfläche des Kerns kann in den Lichtleiter 40 eindringen und wird aufgrund dessen Wellenleitereigenschaft zu einem zweiten Ende des Lichtleiters 40 übertragen. Durch einen am zweiten Ende an den Lichtleiter 40 angekoppelten Intensitätsmesser 20 wird eine Intensität des über den Lichtleiter 40 übertragenen Umgebungslichts bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine das erste Ende umfassende zylindrische Hülse 10 verwendet, die entlang des ersten Endes verschiebbar ist und somit eine Bewegung in einer Richtig axial zum ersten Ende der Lichtleiters 40 ausführen kann. Dadurch wird das Umgebungslicht 30 mehr oder weni- ger stark abgeschattet, so dass die Intensität des am zweiten Ende gemessenen Lichts von der axialen Position der Hülse 10 abhängig ist.
Entsprechend der in Figur 2 dargestellten Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Wegsensors sind zwei gleichartige
Lichtleiter an ihren sensitiven ersten Enden miteinander verbunden. Die jeweiligen Hülsen sind mechanisch gegenläufig gekoppelt, so dass die Summe des in die beiden sensitiven Enden emittierten Umgebungslichts die Intensität des Umgebungs- lichts an einem Lichtleiter ohne Abschattungen darstellt und von einem Detektor als Referenzsignal verwendet werden kann. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich bei Verwendung einer Doppelhülse 11, welche die sensitiven Enden der optischen Lichtleiter längenmäßig komplementär umfaßt. Eine axiale Ver- Schiebung der Doppelhülse 11 in Richtung eines in Figur 2 dargestellten Doppelpfeils bewirkt eine differentielle Veränderung der Messsignale an den jeweils zweiten Enden der Lichtleiter. Auf diese Weise ist bei ausreichend diffusem Umgebungslicht der Quotient der beiden Messsignale zumindest in erster Näherung von der Intensität des diffusen Umgebungslichts unabhängig.
Alternativ zur der in Figur 2 darstellten Abwandlung kann auch ein beliebiger anderer optischer Sensor verwendet werden, um die Intensität des Umgebungslichts zu ermitteln, wenn diese beispielsweise a priori nicht bekannt ist. Wenn das Umgebungslicht definiert erzeugt wird, kann hierauf selbstverständlich verzichtet werden.
Der in Figur 3 darstellte funktionale Zusammenhang zwischen Länge eines freigelegten nicht durch eine Hülse o.a. überdeckten Kerns eines optischen Lichtleiters und in den Lichtleiter emittierter optischer Leistung ist monoton steigend und näherungsweise linear. Eine weitere Verbesserung der Li- nearität kann durch eine gleichmäßigere Aufrauhung der Oberfläche des Kerns erzielt werden.
Sollen Schwingungen gemessen werden, so kann in Fällen, in denen nur die Frequenz von Bedeutung ist, ein der vorangehend beschriebenen Wegsensoren verwendet werden. Andernfalls kann eine Referenzgröße für das Umgebungslicht verwendet werden. Hierzu wird bevorzugt ein zweiter Lichtleiter verwendet, dessen Ende in der Nähe des sensitiven Endes des ersten Licht- leiter parallel zu diesem angeordnet ist, aber nicht durch eine Hülse 10 abgedeckt wird. Eine leichte variable Verschattung durch die Hülse ist tolerierbar und führt durch eine Differenzbildung zu einer geringfügigen Veränderung der Messempfindlichkeit. Wenn die sensitiven Enden nicht dieselbe Länge aufweisen, können die Hülsen so kurz ausgebildet sein, dass sie maximal beispielsweise 10% der Länge des jeweiligen sensitiven Endes nicht abdecken. Für einen Referenzlichtleiter wird dann eine Länge des sensitiven Endes ausgewählt, die dem durch die Hülse nicht abgedeckten Teil des sensitiven En- des des Lichtleiters entspricht; im vorliegenden Beispiel 10' der Länge des sensitiven Endes.
Alternativ kann auch ein nicht verdeckter Bereich vorgesehen werden und der Sensor so eingesetzt werden, dass im Rahmen einer Initialisierung die Hülse in eine Position maximaler Abschattung gebracht wird und der dann gemessene Wert als Referenzwert dient. Nachfolgenden Betriebswerte werden dann durch den Referenzwert geteilt.
Das Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Wegsensor mit
- einem optischen Lichtleiter (40) mit einem Kern und einer Umhüllung, die an einem ersten Ende (42) des optischen
Lichtleiters (40) zumindest teilweise lichtdurchlässig ist, so dass Umgebungslicht (30) in den Kern eindringt,
- einem an einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) angebrachten Sensorelement (20), - einer Hülse (10), die das erste Ende des optischen Lichtleiters (40) zumindest teilweise umschließt und entlang des ersten Endes verschiebbar ist, wobei eine Position der Hülse (10) als Funktion einer am zweiten Ende des optischen Lichtleiters (40) in das Sensorelement (20) emit- tierten Strahlung bestimmbar ist.
2. Wegsensor nach Anspruch 1, bei dem ein dem Umgebungslicht ausgesetztes Referenzsensorelement vorgesehen ist.
3. Wegsensor nach Anspruch 1, bei dem zwei gleichartige optische Lichtleiter (40) mit jeweils einer Hülse vorgesehen sind, und bei dem die Hülsen mechanisch so gekoppelt sind, dass ihre Verschiebung gegenläu- fig auf die jeweils ersten Enden der optischen Lichtleiter (40) wirkt.
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