DE19607086A1 - Neigungssensor - Google Patents

Description

Neigungssensoren dienen zur Bestimmung der Winkelabweichung eines Gegenstan­ des von der Horizontalen, insbesondere zur Messung von Neigungswinkeln relativ zur Erdoberfläche; Neigungssensoren finden in zunehmendem Maße vielfältige Verbreitung, bsp. im Maschinenbau, im Flugzeugbau, im Consumer-Bereich (elek­ tronische Wasserwaage) sowie im Kfz-Bereich (Diebstahlwarnanlagen als Ab­ schleppschutz, Überroll-Schutzsysteme für Geländefahrzeuge oder Cabrios). Zur Messung des Neigungswinkels verwendet werden üblicherweise mechanische Nei­ gungssensoren - diese detektieren die Neigung durch Auswertung der Bewegung (Gravitation oder Beschleunigung) eines in definierter Position fest mit dem Gegen­ stand verbundenen Massekörpers, wobei den Miniaturisierungsbestrebungen Rech­ nung tragende mikro-mechanische Neigungssensoren bereits in der Entwicklung sind - oder elektro-chemische Neigungssensoren - diese detektieren die Neigung durch Auswertung der elektrischen Eigenschaften einer in definierter Position fest mit dem Gegenstand verbundenen leitfähigen Flüssigkeit, bsp. über eine Messung (der Variation) des Widerstands oder der Kapazität.

Mechanische Neigungssensoren arbeiten aufgrund von Reibungseffekten jedoch nur mit geringer Winkeiauflösung bzw. müssen sehr präzise gefertigt werden und sind somit teuer, ebenso die aufwendig und nur in geringen Stückzahlen gefertigten mik­ ro-mechanischen Neigungssensoren; elektro-chemische Neigungssensoren benötigen meist inerte Elektroden (häufig aus Platin) und exotische Flüssigkeiten (Elektrolyte), sind dadurch teuer, bedenklich bezüglich Umweltverträglichkeit und haben eine ge­ ringe Lebensdauer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Neigungssensor mit einfachem Aufbau anzugeben, bei dem diese Nachteile der mechanischen und elektro-chemischen Neigungssensoren vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim vorgestellten "optischen" Neigungssensor sind in einem Gehäuse zwei ver­ schiedene fluide Medien (Flüssigkeiten und/oder Gase) mit unterschiedlichem Bre­ chungsindex angeordnet, die jeweils einen vorgegeben Teil des Gehäuseinnern aus­ füllen und die voneinander durch eine Grenzschicht eindeutig separiert sind; die von einer sich außerhalb des Gehäuses befindlichen Sendeeinheit emittierte Sendestrah­ lung (bsp. sichtbare Strahlung oder IR-Strahlung) wird über einen sich in der opti­ schen Übertragungsstrecke befindlichen, mit der Gehäusewand starr verbundenen und mit den beiden fluiden Medien jeweils eine definierte Grenzfläche bildenden Op­ tikkörper den (vorzugsweise gesamten) Grenzflächen der beiden fluiden Medien mit dem Optikkörper zugeführt; die unter Verwendung des Optikkörpers aus dem Ge­ häuse ausgekoppelte Strahlung wird als Empfangsstrahlung von einer in einer de­ finierten Position bezüglich des Gehäuses und der Sendeeinheit bzw. einer vorge­ gebenen Raumrichtung angeordneten Empfangseinheit detektiert und mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet. Die Brechungsindices der beiden sich im Gehäusein­ nern befindlichen fluiden Medien und der Brechungsindex sowie die Ausgestaltung (insbesondere die Form) des Optikkörpers werden so gewählt, daß für die Wel­ lenlänge der Sendestrahlung an der Grenzfläche des Optikkörpers zum ersten fluiden Medium und an der Grenzfläche des Optikkörpers zum zweiten fluiden Medium unterschiedliche optische Eigenschaften (bezüglich Reflexion/Brechung) bestehen (bsp. trifft an der Grenzfläche des Optikkörpers zum ersten fluiden Medium Totalre­ flexion, an der Grenzfläche des Optikkörpers zum zweiten fluiden Medium dagegen keine Totalreflexion auf): demzufolge wird ein von der Lage (insbesondere der Neigung) des Gehäuses bzw. der Lage (Neigung) des Optikkörpers abhängiger Anteil der in das Gehäuse eingekoppelten Sendestrahlung reflektiert und/oder gebrochen. Die Strahlungsleistung der durch den Optikkörper aus dem Gehäuse in eine bestimm­ te Raumrichtung ausgekoppelten Strahlung ist somit ein direktes Maß für die Nei­ gung des Gehäuses bzw. des Optikkörpers: bei einer Neigung des Gehäuses ver­ schiebt sich die Grenzschicht der beiden fluiden Medien bezüglich der Gehäusewand bzw. bezüglich des Optikkörpers und damit auch die jeweilige von den beiden fluiden Medien zum Optikkörper eingenommene Grenzfläche, so daß die optischen Verhältnisse bezüglich Reflexion/Brechung geändert werden und damit auch die Strahlungsleistung der durch den Optikkörper aus dem Gehäuse in eine bestimmte Raumrichtung ausgekoppelten Strahlung variiert wird; die relative Strahlungs­ leistung, d. h. das Verhältnis der Strahlungsleistung der von der in einer vorge­ gebenen Raumrichtung angeordneten Empfangseinheit detektierten Empfangsstrah­ lung bezüglich der Strahlungsleistung der von der Sendeeinheit emittierten Sen­ destrahlung, ist demnach in charakteristischer Weise vom Neigungswinkel des Gehäuses bzw. des Optikkörpers gegenüber der Horizontalen abhängig, so daß die Strahlungsleistung der von der Empfangseinheit detektierten Empfangsstrahlung oder die relative Strahlungsleistung einem ganz bestimmten Neigungswinkel des Ge­ häuses zugeordnet werden kann.

Der Aggregatzustand und das Material der beiden fluiden Medien im Gehäuseinnern, das Gesamtfüllvolumen der beiden fluiden Medien und deren jeweiliger Anteil am Gesamtfüllvolumen (relatives Füllvolumen) können abhängig vom Einsatzgebiet des Neigungssensors und/oder anhand der gewünschten optischen Eigenschaften (Trans­ parenz) des Neigungssensors und/oder anhand des Benetzungsvermögens der beiden fluiden Medien gewählt werden: vorzugsweise entspricht das Gesamtfüllvolumen der beiden fluiden Medien dem Gehäusevolumen im Gehäuseinnern, d. h. die beiden flui­ den Medien füllen das Gehäuseinnere vollständig aus, vorzugsweise ist das relative Füllvolumen (der relative Anteil) der beiden fluiden Medien ungefähr gleich groß, d. h. das Gehäuseinnere ist mit jedem der beiden fluiden Medien etwa zur Hälfte ausgefüllt, und vorzugsweise ist das erste fluide Medium als Gas und das zweite fluide Medium als Flüssigkeit ausgebildet, da zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas eine eindeutig definierte Grenzschicht gegeben ist. Der Optikkörper kann entweder vom Gehäuse selbst (der Gehäusewand) gebildet werden oder ins Gehäuseinnere geführt werden: bsp. ist die gesamte Gehäuse(innen)wand als Retrore­ flektor oder prismatischer Körper ausgebildet, der die von der Sendeeinheit emittierte Sendestrahlung unter einem bestimmten Grenzwinkel in das Gehäuseinnere einkop­ pelt (beim Überschreiten des Grenzwinkels wird die Sendestrahlung totalreflektiert, d. h. vom Optikkörper wieder direkt ausgekoppelt); oder bsp. wird die von der Sende­ einheit emittierte Sendestrahlung mittels eines (vorzugsweise ein Bogensegment mit vorgegebener Krümmung aufweisenden) Lichtleiters in das Gehäuseinnere eingekop­ pelt und wieder aus dem Gehäuseinneren zur Empfangseinheit ausgekoppelt. Die Sendeeinheit emittiert die Sendestrahlung bsp. mittels einer Sendediode, die Empfangseinheit detektiert die Empfangsstrahlung bsp. mittels einer an die Wellen­ länge der Sendestrahlung angepaßten Empfangsdiode; als Sendestrahlung kann elek­ tromagnetische Strahlung beliebiger Wellenlänge verwendet werden, bsp. liegt die Wellenlänge im sichtbaren Bereich oder im IR-Bereich. Die der Empfangseinheit nachgeschaltete Auswerteeinheit (bsp. ein Mikroprozessor) bestimmt aus dem Ver­ hältnis der Strahlungsleistung der Empfangsstrahlung zur Strahlungsleistung der Sen­ destrahlung den Neigungswinkel.

Der vorgestellte optische Neigungssensor vereinigt mehrere Vorteile in sich:

• - er besitzt einen einfachen Aufbau und kann auf einfache Weise und kosten­ günstig hergestellt werden,
• - er liefert ein weitgehend störungsfreies, signifikantes, eindeutiges und charak­ teristisches Ausgangssignal, mit dem sich der Neigungswinkel auf einfache Weise bestimmen läßt,
• - er besitzt eine lange Lebensdauer mit konstanten Eigenschaften, da weder Reibungseffekte noch Verschleiß auftreten,
• - bezüglich des Einsatzgebietes bestehen keine Beschränkungen, da der Nei­ gungssensor unempfindlich gegenüber EMV-Strahlung ist, auch in explo­ sionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden kann und eine gute Umweltver­ träglichkeit besitzt.

Der optische Neigungssensor soll im weiteren anhand der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben werden, in denen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des Neigungssensors dargestellt sind.

Gemäß der Fig. 1 ist in der optischen Übertragungsstrecke 30 zwischen Sendeein­ heit 10 und Empfangseinheit 20 ein quaderförmiges Gehäuse 40 (Maße bsp. 20 × 20 × 10 mm, Gehäusevolumen V_G bsp. 4000 mm³) angeordnet; der Optikkörper 50 (Bre­ chungsindex n_o) ist durch die als Retroreflektor ausgebildete Gehäusewand 41 rea­ lisiert, d. h. die Innenseite 42 der Gehäusewand 41 weist in Form von "Würfelecken" ausgebildete prismatische Körper 53 auf. Im Gehäuseinnern 43 ist ein erstes, bsp. als Gas (bsp. Kohlendioxid) ausgebildetes fluides Medium 60 mit dem Brechungsindex n₁ (n₁ = 1 für Kohlendioxid) und ein zweites, bsp. als Flüssigkeit (bsp. Wasser) aus­ gebildetes fluides Medium 70 mit dem Brechungsindex n₂ (n₂ = 1,33 für Wasser) derart angeordnet, daß das relative Füllvolumen V₁ des ersten Mediums 60 so groß wie das relative Füllvolumen V₂ des zweiten fluiden Mediums 70 ist, daß die Summe aus relativem Füllvolumen V₁ und relativem Füllvolumen V₂ als Gesamtfüllvolumen dem Gehäusevolumen V_G entspricht und daß zwischen dem ersten fluiden Medium 60 und dem zweiten fluiden Medium 70 eine definierte Grenzschicht 80 (Grenzfläche) entsteht (bsp. V₁ = 2000 mm³, V₂ = 2000 mm³, V_G = V₁ + V₂= 4000 mm³).

Die von der Sendeeinheit 10 emittierte Sendestrahlung S₁₀ wird dem Retroreflektor 50 (der Gehäusewand 41) an der der Sendeeinheit 10 und der Empfangseinheit 20 zu­ gewandten Oberflächenseite 44 des Gehäuses 40 zugeführt; die Form bzw. Oberflä­ che und Material (z. B. Polycarbonat PC) des Retroreflektors 50 sowie die Bre­ chungsindices n_o, n₁, n₂ von Retroreflektor 50, erstem fluiden Medium 60 und zwei­ tem fluiden Medium 70 sind so gewählt und derart aufeinander abgestimmt (bsp. n_o = 1,6; n₁ = 1,0; n₂ = 1,33), daß der Anteil S₁₀₁ der auf die Grenzfläche 51 des Re­ troreflektors 50 zum ersten fluiden Medium 60 auftreffenden Sendestrahlung S₁₀ totalreflektiert wird, der Anteil S₁₀₂ der auf die Grenzfläche 52 des Retroreflektors 50 zum zweiten fluiden Medium 70 auftreffenden Sendestrahlung S₁₀ jedoch in das zweite fluide Medium 70 gebrochen wird. Nur der aufgrund der Totalreflexion als reflektierte Strahlung S₂₀ auf der der Empfangseinheit 20 zugewandten Ober­ flächenseite 44 des Gehäuses 40 gebildete Anteil der Sendestrahlung S₁₀ kann von der Empfangseinheit 20 detektiert werden, während der aufgrund der Brechung als gebrochene Strahlung S₇₀ gebildete Anteil der Sendestrahlung S₁₀ das Gehäuse 40 auf der der Empfangseinheit 20 entgegengesetzten Oberflächenseite 45 verläßt und somit von der Empfangseinheit 20 nicht detektiert werden kann. Bei horizontaler Stellung des Gehäuses 40 bzw. des Retroreflektors 50 und damit des Neigungssensors (Fig. 1a) wird die Grenzfläche 51 des Optikkörpers 50 zum ersten fluiden Medium 60 maximal und hierdurch ein maximaler Anteil der Sendestrahlung S₁₀ zur Empfangseinheit 20 reflektiert (die Strahlungsleistung der reflektierten Strahlung S₂₀ ist maximal), d. h. eine maximale Empfangsstrahlung S₂₀ von der Empfangseinheit 20 detektiert. Bei einer Neigung des Gehäuses 40 bzw. des Retroreflektors 50 und damit des Neigungssensors (Fig. 1b) um den Neigungswinkel α ändert sich der Anteil der beiden Grenzflächen 51, 52 des Retroreflektors 50 zu den beiden fluiden Medien 60, 70 und somit auch die Strahlungsleistung der reflektierten und von der Empfangseinheit 20 detektierten Empfangsstrahlung S₂₀ analog zum Neigungswinkel α. Bsp. ist bei einer horizontalen Stellung des Gehäuses 40 bzw. des Optikkörpers 50 die Strahlungsleistung der Empfangsstrahlung S₂₀ halb so groß wie die Strahlungs­ leistung der gesamten Sendestrahlung S₁₀ (d. h. S₂₀ = 0,5 · S₁₀); bei einem Nei­ gungswinkel α von 45° gegenüber der Horizontalen beträgt die Strahlungsleistung der Empfangsstrahlung S₂₀ dagegen nurmehr 30% der Strahlungsleistung der Sendestrahlung S₁₀ (d. h. S₂₀ = 0, 3 · S₁₀).

Gemäß der Fig. 2 ist in der optischen Übertragungsstrecke 30 zwischen Sendeein­ heit 10 und Empfangseinheit 20 ein zylindrisch-halbkugelförmiges Gehäuse 40 (Grundzylinder mit halbkugelförmiger Gehäusekappe) angeordnet (beispielhafte Maße: Durchmesser 10 mm; Gesamthöhe 15 mm; Gehäusevolumen V_G 1045 mm³). Der Optikkörper 50 (Brechungsindex n_o) ist durch einen im Gehäuseinnern 43 ge­ führten und mit der Gehäusewand 41 starr verbundenen Lichtleiter (Glasfaser) rea­ lisiert; der Lichtleiter 50 weist ein Bogensegment 54 mit einem vorgegebenen Krüm­ mungsradius r_K auf, so daß der Lichtleiter 50 auf der Unterseite 46 des Gehäuses 40 sowohl in das Gehäuseinnere 43 eintritt als auch aus dem Gehäuseinneren 43 austriff. Im Gehäuseinnern 43 ist ein erstes, bsp. als Gas (bsp. Luft) ausgebildetes fluides Me­ dium 60 mit dem Brechungsindex n₁ und ein zweites, bsp. als Flüssigkeit (bsp. Wasser) ausgebildetes Medium 70 mit dem Brechungsindex n₂ derart angeordnet, daß die Füllhöhe des zweiten Mediums 70 gerade dem Zylindervolumen des Gehäuses 40 entspricht (Zylinderhöhe bsp. 10 mm, V₂ = 785 mm³) und das erste Medium 60 die halbkugelförmige Gehäusekappe ausfüllt (V₁ = 260 mm³; V_G = V₁ + V₂ = 1045 mm²).

Die von der Sendeeinheit 10 emittierte Sendestrahlung S₁₀ wird mittels des Lichtlei­ ters 50 durch das Gehäuseinnere 43 durchgeführt und der aus dem Gehäuseinnern 43 ausgekoppelte und in der Empfangseinheit 20 eintreffende Anteil der Sendestrahlung S₁₀ als Empfangsstrahlung S₂₀ detektiert; Form (Krümmungsradius r_K, Durchmesser d_o) und Material (Brechungsindex n_o) des Lichtleiters 50, die Anordnung der Strahlungseinkopplung in den Lichtleiter 50 (Apertur, Brechungsindex der Einkopplung) sowie die Brechungsindices n₁, n₂ von erstem fluiden Medium 60 und zweitem fluiden Medium 70 sind so gewählt und derart aufeinander abgestimmt (bsp. r_K = 4 mm; d₀ = 1 mm; n_o = 1,5; n₁ = 1,0; n₂ = 1,33), daß bei einer horizontalen Po­ sition des Gehäuses 40 bzw. Lichtleiters 50 und damit des Neigungssensors (Fig. 2a) die Totalreflexion der Sendestrahlung S₁₀ im Lichtleiter 50 an den beiden Grenz­ flächen 51, 52 zu den beiden fluiden Medien 60, 70 (insbesondere aber im Bogen­ segment 54 des Lichtleiters 50) teilweise aufrechterhalten bleibt, wodurch in der Empfangseinheit 20 die maximal mögliche Empfangsstrahlung S₂₀ detektiert wird (d. h. die Strahlungsleistung der Empfangsstrahlung S₂₀ ist maximal). Bei einer Neigung des Gehäuses 40 bzw. des Lichtleiters 50 und damit des Neigungssensors (Fig. 2b) um den Neigungswinkel α ändert sich der Anteil der Grenzflächen 51, 52 des Licht­ leiters 50 zu den beiden fluiden Medien 60, 70 (insbesondere im Bogensegment 54 des Lichtleiters 50), wodurch die Totalreflexion im Lichtleiter 50 stärker gestört wird und demzufolge die von der Empfangseinheit 20 detektierte Strahlungsleistung der Empfangsstrahlung S₂₀ analog zum Neigungswinkel α verringert wird. Bsp. wird bei einer horizontalen Stellung des Gehäuses 40 bzw. des Lichtleiters 50 80% der Strah­ lungsleistung der Sendestrahlung S₁₀ von der Empfangseinheit 20 als Strahlungslei­ stung der Empfangsstrahlung S₂₀ detektiert (d. h. S₁₀ = 0,8 · S₂₀), bei einem Nei­ gungswinkel α von 45° gegenüber der Horizontalen beträgt die Strahlungsleistung der Empfangsstrahlung S₂₀ dagegen nurmehr 50% der Strahlungsleistung der Sende­ strahlung S₁₀ (d. h. S₂₀ = 0,5 · S₁₀).

Claims (8)

1. Neigungssensor mit:

• - einer Sendeeinheit (10) zur Emission von Sendestrahlung (S₁₀),
• - einer Empfangseinheit (20) zur Detektion von Empfangsstrahlung (S₂₀),
• - einem in der Übertragungsstrecke (30) zwischen Sendeeinheit (10) und Empfangs­ einheit (20) angeordneten Gehäuse (40) zur Aufnahme von zwei im Gehäuse­ innern (43) angeordneten, durch eine Grenzschicht (80) voneinander getrennten, fluiden Medien (60, 70) mit unterschiedlichem Brechungsindex (n₁, n₂) und vorgegebenem relativen Füllvolumen (V₁, V₂),
• - einem starr mit mindestens einer Gehäusewand (41) verbundenen, mit den beiden fluiden Medien (60, 70) jeweils eine Grenzfläche (51, 52) bildenden Optikkörper (50), dessen Form und Brechungsindex (n_o) so gewählt sind, daß die optischen Eigenschaften bezüglich Reflexion und/oder Brechung an der Grenzfläche (51) des Optikkörpers (50) zum ersten fluiden Medium (60) von den optischen Eigen­ schaften bezüglich Reflexion und/oder Brechung an der Grenzfläche (52) des Op­ tikkörpers (50) zum zweiten fluiden Medium (70) unterschiedlich sind.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das relative Füllvolumen (V₁) des ersten fluiden Mediums (60) und das relative Füllvolumen (V₂) des zweiten fluiden Mediums (70) annähernd gleich groß sind.

3. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der relativen Füllvolumina (V₁, V₂) der beiden fluiden Medien (60, 70) als Gesamt­ füllvolumen dem Gehäusevolumen (V_G) im Gehäuseinnern (43) entspricht.

4. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste fluide Medium (60) als Gas und das zweite fluide Medium (70) als Flüssig­ keit ausgebildet ist.

5. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Optikkörper (50) als Retroreflektor ausgebildet ist.

6. Neigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite (42) der Gehäusewand (41) durch prismatische Körper (53) realisiert ist.

7. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Optikkörper (50) als Lichtleiter ausgebildet ist.

8. Neigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (50) ein Bogensegment (54) mit vorgegebenem Krümmungsradius (r_K) aufweist, und daß der Lichtleiter (50) auf der gleichen Oberflächenseite (46) des Gehäuses (40) durch die Gehäusewand (41) in das Gehäuseinnere (43) eintritt und aus dem Ge­ häuseinnern (43) austritt.