DE19801783A1 - Optischer Sensor zur Untersuchung der Eigenschaften eines langgestreckten oder strangförmigen Objektes - Google Patents

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Trotz des Einsatzes modernster Verfahren und Techniken in der Fertigung strangförmiger Objekte unterliegt deren Durchmesser immer gewissen Schwankungen, da sich die die Abmessungen des Objektes beeinflussenden Parameter nie exakt einstellen und/oder über einen längeren Zeitraum konstant halten lassen. Falls man das strangförmige Objekt weiterverarbeiten oder mit anderen Elementen verbinden will, darf der Objektdurchmesser vorgegebene Grenzwerte allerdings nicht über- oder unter schreiten. Vergleichsweise enge Dickentoleranzen sind bei der Herstellung von Kupfer- und Lichtwellenleiteradern einzuhal­ ten, da jede an einer Ader auftretende Verdickung den Abriß des entsprechenden Verseilnippels im Bereich der Verseilein­ richtung zur Folge haben könnte. In der Fertigung von elek­ trischen und optischen Nachrichtenkabeln bedient man sich deshalb sogenannter Knotenwächter, um den Durchlauf einer Verdickung zu registrieren und die Anlage ggf. abzuschalten.

Neben den vergleichsweise unempfindlichen mechanischen Knotenwächtern kommen zunehmend auch optische Dickenmesser in der Fertigung zum Einsatz. Diese tasten das Meßobjekt mit einem oder mehreren, jeweils senkrecht zur Objektlängsachse eingestrahlten Lasersonden periodisch ab und werten die daraus resultierenden Schattenkonturen mit Hilfe schneller Prozessoren aus. Als Ablenkelemente für die Lasersonden dienen rotierende Spiegel und sogenannte holographische Gitter (Holix-Meßkopf der Fa. Targets-Systems Inc.). Optische Dickenmesser besitzen trotz großer Abtastraten von bis zu 2 kHz eine sehr hohe Meßgenauigkeit. Sie sind allerdings vergleichsweise komplex aufgebaut und teuer in der Anschaf­ fung.

2. Gegenstand, Ziele und Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat einen optischen Sensor zur Untersuchung der Eigenschaften eines langgestreckten oder strangförmigen Objektes zum Gegenstand. Der Sensor soll es ermöglichen, Anomalien und/oder Veränderungen der Oberfläche des mit hoher Geschwindigkeit relativ zum Sensor bewegten Objektes zu detektieren.

Mit Hilfe eines die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweisen­ den Sensors lassen sich beispielsweise Verdickungen, Knoten, Einkerbungen und Farbänderungen an elektrischen und optischen Kabeln, Adern, Leitungen, Seelen, Bündeln, Seilen, verseilten Elementen usw. während der laufenden Produktion schnell und sicher nachweisen. Falls das zu prüfende Objekt eine transpa­ rente Hülle besitzt, können auch oberflächennahe Einschlüsse und Fremdkörper im Inneren des Objektes nachgewiesen werden. Der Sensor besitzt keine bewegten optischen Elemente, also insbesondere keine schnell rotierenden und nur schwer justierbaren Ablenkelemente. Er ist kompakt aufgebaut, wenig störanfällig, leicht zu warten und kostengünstig herzustel­ len.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Sensors und einer ihm zugeordneten Auswerteeinheit sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

3. Zeichnungen

Der optische Sensor wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines optischen Sensors in Seitenansicht;

Fig. 2 Teile des Sensorgehäuses im Querschnitt und in der Seitenansicht;

Fig. 3 die dem optischen Sensor nachgeschaltete Auswerte­ einheit;

Fig. 4 bis 6 jeweils das Ausgangssignal des Differenzverstärkers und der monostabilen Kippstufe der Auswerteeinheit des Sensors beim Durchlaufen einer eine Einkerbung (Fig. 4), eine Unebenheit/Verdickung (Fig. 5) und eine Farbmarkierung (Fig. 6) aufweisenden Bündel­ ader;

Fig. 7 den schematischen Aufbau eines zweiten Ausführungs­ beispieles eines optischen Sensors in Seiten­ ansicht;

Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorgehäu­ ses in verschiedenen Ansichten;

Fig. 9 die dem in Fig. 7 dargestellten Sensor zugeordnete Elektronik zur Auswertung der von den beiden Photo­ dioden erzeugten Ausgangssignale;

Fig. 10 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der in einem Logikbaustein vorgenommenen Bewertung der Ausgangs­ signale, welche von den den beiden Detektoreinrich­ tungen des Sensors jeweils zugeordneten Auswerte­ einheiten erzeugt wurden.

4. Beschreibung der Ausführungsbeispiele a) Aufbau und Wirkungsweise des optischen Sensors

Der in Fig. 1 nicht maßstabsgetreu in Seitenansicht darge­ stellte Sensor 1 besteht im wesentlichen aus einer Anzahl m ≧ 1, jeweils Primärstrahlung 4 emittierenden Beleuchtungs­ elementen 2/3, einem eine durchgehende Bohrung 6 aufweisenden Gehäuse 5 und einer Anzahl n ≧ 1 Detektorelementen 7/8. Letztere haben die Aufgabe, die an der Oberfläche, an ober­ flächennahen Schichten oder im Inneren des zu prüfenden Objektes 9 reflektierte und/oder gestreute Primärstrahlung 10 zu erfassen und deren Intensität zu messen. Als Prüfobjekt 9 kommt beispielsweise eine aus einer Kunststoffhülle und mehreren darin angeordneten Lichtwellenleitern bestehende Bündelader in Betracht, welche das Gehäuse 5 in Richtung der Bohrungslängsachse 11 mit einer annähernd konstanten Geschwindigkeit von typischer Weise v = 2-5 m/s berührungs­ frei durchläuft.

Um die Oberfläche des Objektes 9 innerhalb eines nur wenige mm breiten axialen Abschnittes allseitig zu beleuchten, wird es gleichzeitig mit mehreren Primärstrahlungssonden 4 beauf­ schlagt. Als sondenerzeugende Elemente finden beispielsweise m = 4-20, insbesondere m = 8-12, Lichtwellenleiter 2 Verwen­ dung, deren gehäuseseitigen Endstücke 2' jeweils auf die Längsachse 11 der Bohrung 6 ausrichtet und unter einem Winkel 0° ≦ α ≦ 60°, insbesondere 0° ≦ α ≦ 30°, vorzugsweise 2° ≦ α ≦ 20°, geneigt bezüglich der Bohrungslängsachse 11 in einem kegelstumpfförmigen Kopfstück des Gehäuses 5 gehalten sind (siehe auch Fig. 2).

Das Modul 3 enthält unter anderem eine als Photonenquelle dienende Laserdiode (Ausgangsleistung typischerweise 2,5-5 mW), die beispielsweise Licht der Wellenlänge λ = 570 nm in die modulseitig gebündelten Lichtwellenleiter 2 einkoppelt. Dies geschieht mit Hilfe eines an die lichtemittierende Fläche der Laserdiode optimal angepaßten und aus dem Modulge­ häuse herausgeführten Lichtwellenleiter-Verbindungsstückes ("Pigtail").

Die im Gehäuse 5 fixierten Endstücke 7' der beispielsweise n = 4-20, insbesondere n = 8-12 detektorseitigen Lichtwel­ lenleiter 7 sind jeweils auf die Längsachse 11 der Gehäuse­ bohrung 6 ausgerichtet und radial beabstandet von ihr im Bereich des Schnittpunktes der Längsachsen der sondenerzeu­ genden Lichtwellenleiter-Endstücke 2', also in dem von den m Primärstrahlungssonden 4 ausgeleuchteten Achsenabschnitt des Gehäuses 5 angeordnet. In einer senkrecht zur Längsachse 11 der Bohrung 6 orientierten Ebene bilden die gehäuseseitigen Endstücke 7' der Lichtwellenleiter 7 eine stern- oder ring­ förmige Struktur (vgl. Fig. 2), wobei die Symmetrieachsen benachbarter Lichtwellenleiter-Endstücke 7' jeweils den Winkel Φ = 2π/n einschließen. Aufgrund ihrer Ausrichtung erfassen die Lichtwellenleiter-Endstücke 7' im wesentlichen nur die annähernd senkrecht zur Bohrungslängsachse 11 reflek­ tierte oder gestreute Primärstrahlung 10 (im folgenden Sekun­ därstrahlung genannt) und führen sie der als Intensitäts­ messer dienenden Photodiode 8 in Form eines Bündels zu. Deren der Sekundärstrahlungsintensität proportionales Ausgangs­ signal bleibt, bis auf das unvermeidliche Rauschen, zeitlich annähernd konstant, sofern die Oberfläche der das Gehäuse 5 durchlaufenden Objektes 9 keine die Reflexion, Streuung oder Absorption der einfallenden Primärstrahlung 4 beeinflussenden Anomalien aufweist. Erreicht hingegen eine Verdickung, ein Knoten oder eine Einkerbung den ausgeleuchteten Bereich, ändern sich der Einfalls- und Reflexionswinkel der Primär­ strahlung 4 und damit auch die Intensität der erfaßten Sekun­ därstrahlung 10 innerhalb einer von der Durchlaufgeschwindig­ keit v des Objektes 9 und der Breite/Länge der Oberflächen­ anomalie abhängigen Zeitspanne erheblich. Durch Vergleich der jeweils gemessenen Sekundärstrahlungsintensität mit einem die Normoberfläche definierenden Schwellenwert kann man so Ober­ flächenanomalien mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteein­ heit nachweisen. Da auch ein Farbwechsel an der Oberfläche, trotz gleichen Einfallswinkels α der Primärstrahlung 4, die Sekundärstrahlungsintensität erhöht bzw. verringert (schwächere bzw. stärkere Absorption der Primärstrahlung im anders farbigen Bereich), sind Farbanomalien ebenfalls mit Hilfe des Sensors 1 nachweisbar.

b) Das Sensorgehäuse

Wie die Fig. 2 maßstabsgetreu zeigt (alle Längenangaben in mm), kann das beispielsweise aus Aluminium oder Edelstahl gefertigte Gehäuse 5 des Sensors 1 aus einem zylindrischen Mittelteil 51 (Fig. 2 oben) und zwei Verschlußstücken 52/53 bestehen. Das kegelstumpfförmig ausgebildete, eine Anzahl m = 8 Einfräsungen 12 aufweisende modulseitige Verschlußstück 52 ist hierbei in dem sich konusförmig erweiternden, ebenfalls mit m = 8 Einfräsungen 12' versehenen Abschnitt der zentralen Bohrung 6 des Mittelteils 51 angeordnet. Die Endstücke 2' der quellenseitigen Lichtwellenleiter 2 werden in diese Einfräsungen 12/12' eingeschoben und durch Verkleben befe­ stigt oder mit Hilfe von Preßbuchsen lösbar fixiert. Der Neigungs- bzw. Einstrahlwinkel beträgt im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel α = 20°.

Die im Mantel des mittleren Gehäuseteils 51 vorhandenen Bohrungen 13 dienen der Aufnahme der Endstücke 7' der eben­ falls n = 8 detektorseitigen Lichtwellenleiter 7. Entspre­ chend der Anordnung dieser Bohrungen 13 im Gehäusemantel, bilden die fixierten Lichtwellenleiter-Endstücke 7' eine stern- oder ringförmige Struktur, deren Symmetrieachse mit der Längsachse 11 der Gehäusebohrung 6 zusammenfällt (siehe den im linken oberen Teil der Fig. 2 dargestellten Schnitt durch den Mittelteil 51 entlang der Linie A-A').

c) Die Auswerteeinheit

Die Fig. 3 zeigt den optischen Sensor nochmals in stark schematisierter Form sowie die dem Sensor zugeordnete, nur auf Änderungen der Sekundärstrahlungsintensität ansprechende Auswerteeinheit 14. Diese besteht beispielsweise aus einem mit dem Ausgangssignal der Photodiode 8 beaufschlagen Vorver­ stärker 15, einem Differenzverstärker 16, einem Komparator 17 und einer monostabilen Kippstufe 18. Letztere erzeugt immer dann einen Ausgangsimpuls, wenn die Amplitude des die jeweils gemessene Sekundärstrahlungsintensität repräsentierenden elektrischen Signals am Eingang des Komparators 17 den durch das Potentiometer 19 definierten Schwellenwert übertrifft. Die dem Plus-Eingang des Differenzverstärkers 16 vorgeschal­ tete Kapazität 20 hat die Aufgabe, die vergleichsweise lang­ samen, durch eine Pendelbewegung des Objektes 9 im Sensorge­ häuse 5 hervorgerufenen Schwankungen der Sekundärstrahlungs­ intensität und die damit einhergehenden Signaländerungen zu unterdrücken.

d) Meßergebnisse

Wie die Fig. 4 bis 6 belegen, lassen sich Einkerbungen (Fig. 4), Unebenheiten (Fig. 5) und Farbmarkierungen (Fig. 6) auf einer optischen Bündelader mit Hilfe des oben beschriebenen Sensors 3 und seiner Auswerteeinheit 14 eindeutig nachweisen. Die Durchlaufgeschwindigkeit v der untersuchten und jeweils zu einem Ring verklebten Bündeladern im Sensorgehäuse 5 betrug jeweils v = 22 m/min. Dargestellt sind jeweils die Ausgangssignale des Differenzverstärkers 16 (Kanal A eines Speicheroszilloskopes) und der monostabilen Kippstufe 18 (Kanal B des Speicheroszilloskopes), wobei der Abstand vertikaler Linien in den Diagrammen einem Zeitinter­ vall Δt = 20 ms entspricht.

Die durch eine Einkerbung hervorgerufene Änderung der Sekun­ därstrahlungsintensität läßt sich in dem in Fig. 4 darge­ stellten Ausgangssignal des Differenzverstärkers 16 eindeutig als nadelförmiger Ausschlag identifizieren. Vibrationen der Bündelader 9 im Gehäuse 5 verursachen die in der Amplitude 3-5fach kleineren Signalschwankungen beiderseits des der Ein­ kerbung zugeordneten Ausschlags. Wie gefordert, erzeugt die monostabile Kippstufe 18 trotz des durch die Vibrationen der Bündelader 9 verrauschten Signals nur einen, die Einkerbung anzeigenden Ausgangsimpuls.

Beim Durchlauf einer Klebestelle liefert der Differenzver­ stärker 16 ein vergleichsweise komplexes, starke Schwankungen zeigendes Ausgangssignal (siehe Fig. 5), wobei die Klebe­ stelle die größte Signaländerung erzeugt. Rechts und links dieses der Klebestelle zugeordneten Maximums beobachtet man zwei weitere, durch Pfeile markierte Ausschläge, welche durch deutlich sichtbare Schattierungen vor und hinter der Klebe­ stelle hervorgerufen wurden. Diese Schattierungen stammen von grünen, in die Ader eingebrachten Papierstücken, die die Aderfüllmasse etwas zurückdrängen und so für eine bessere Haftung des Klebstoffes sorgen sollten. Der zweite Impuls der monostabilen Kippstufe 18 ist wahrscheinlich auf einen an der Ader haftenden Klebstoffrest zurückzuführen.

Um festzustellen, ob der Sensor auch auf Farbänderungender Oberfläche anspricht, wurde eine gelbe, transparente Bündel­ ader mit einer aus drei Farbstrichen bestehenden Markierung versehen. Der Abstand benachbarter, senkrecht zur Bündel­ längsachse 11 orientierten Farbstriche betrug jeweils etwa 6 mm. Da die Bündelader mit einer konstanten Geschwindigkeit v = 22 m/s das Sensorgehäuse 5 durchlief, sollten die den einzelnen Farbstreifen zugeordneten Impulse der monostabilen Kippstufe 18 in einem zeitlichen Abstand von etwa 16 ms nach­ einander auftreten. Wie die Fig. 6 zeigt, wurde dies experi­ mentell bestätigt. Jedem Farbstreifen sind hierbei jeweils Impulse zugeordnet, da die Kippstufe 16 sowohl auf anstei­ gende als auch auf abfallende Signalflanken ansprach.

e) Zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors

Der in Fig. 7 dargestellte optische Sensor unterscheidet sich im wesentlichen nur dadurch von der bereits beschriebe­ nen Ausführungsform, daß er eine ebenfalls der Erfassung der Sekundärstrahlung 10 dienende zweite Gruppe von Lichtwellen­ leitern 72 sowie eine der zweiten Lichtwellenleiter 72 zuge­ ordnete Photodiode 82 aufweist. Die gehäuseseitigen Endstücke 72' der insgesamt n Lichtwellenleiter 72 sind axial beanstan­ det von den gehäuseseitigen Endstücken 71' der Lichtwellen­ leiter 71 angeordnet und diesen entsprechend bezüglich der Bohrungslängsachse 11 ausgerichtet. Der Abstand der beiden stern- oder ringförmigen Lichtwellenleiterstrukturen 71'/72' liegt im Bereich einiger Millimeter, insbesondere bei d = 2-3 mm. Wie die Endstücke 71' der ersten Gruppe von Lichtwellen­ leitern 71 erfassen die Endstücke 72' der zweiten Gruppe von Lichtwellenleitern 72 im wesentlichen nur die annähernd senk­ recht zur Bohrungslängsachse 11 emittierte Sekundärstrahlung 10 und führen sie der Photodiode 82 ebenfalls in Form eines Bündels zu.

Das Gehäuse dieses Sensors kann beispielsweise aus einem mit einer Halterung 21 verschraubten, feststehenden Teil 22 und einem drehbar gehalterten Teil 23 bestehen (siehe die in Fig. 8 dargestellten Ansichten und Schnitte). Das obere Gehäuseteil 23 ist hierbei an zwei um eine gemeinsame Achse 24 drehbaren Hebelarmen 25/25' befestigt. Da die parallel zur Bohrungslängsachse 11 orientierte Drehachse 24 außerhalb des Gehäuses liegt, läßt sich der mit den Hebelarmen 25/25' verschraubte Gehäuseteil 23 entgegen der von einem Federele­ ment 26 ausgeübten Rückstellkraft nach oben ausschwenken. Die zweiteilige Ausführung des Gehäuses und dessen Trennbarkeit in einer die Bohrungslängsachse 11 enthaltenden Ebene erleichtert die Wartung des Sensors erheblich. Außerdem stellt der Hebelmechanismus sicher, daß das Gehäuse beim Durchlauf eines größeren Knotens aufklappt. Der Knoten kann dann ungehindert am Sensor vorbeilaufen, ohne dessen Gehäuse zu zerstören.

Im oberen linken Teil der Fig. 8 erkennt man die geneigt zur Bohrungslängsachse 11 verlaufenden Gehäusebohrungen 27 zur Aufnahme der das Objekt 9 beleuchtenden Lichtwellenleiter- Endstücke 2' sowie die jeweils senkrecht zur Bohrungslängs­ achse 11 orientierten, den beiden detektorseitigen Gruppen von Lichtwellenleitern 71/72 zugeordneten Gehäusebohrungen 28.

Die Verwendung zweiter axial beabstandet voneinander angeord­ neter Gruppen von Lichtwellenleitern 71/72 zur Erfassung der vom Objekt 9 ausgehenden Sekundärstrahlung 10 verbessert die Detektionsgenauigkeit des Sensors. So kann mit hoher Wahr­ scheinlichkeit auf das Durchlaufen einer Anomalie der Ober­ fläche des Objektes 9 geschlossen werden, wenn die den beiden Gruppen von Lichtwellenleitern 71/72 zugeordneten Photodioden 81/82 jeweils eine Änderung der Sekundärstrahlungsintensität registrieren und diese Intensitätsänderung innerhalb eines vom axialen Abstand d der Endstücke 71'/72' der beiden Licht­ wellenleitergruppen 71/72 im Sensorgehäuse sowie von der Durchlaufgeschwindigkeit v des Objektes 9 abhängigen Zeit­ spanne in der erwarteten Reihenfolge nacheinander auftreten. Eine elektronische Schaltung 29 zur Bewertung der zeitlichen Abfolge der von den beiden Photodioden 81/82 erzeugten Ausgangssignale zeigt Fig. 9 in schematisierter Form. Jeder der beiden Photodioden 81/82 ist wieder ein Vorverstärker 151/152, ein Differenzverstärker 161/162 und ein einen Schwellenwert 191/192 definierender Komparator 171/172 mit den bereits erläuterten Funktionen zugeordnet. Die von den Komparatoren 171/172 erzeugten und im folgenden als Signal 1 und Signal 2 bezeichneten Ausgangssignale liegen an separaten Eingängen eines von einem Signalgenerator 31 ("Clock") ange­ steuerten programmierbaren Logikbausteins 31 an. Die durch den Signalgenerator 30 vorgegebene, der Durchlaufgeschwindig­ keit v des Objektes 9 im Sensorgehäuse 5 proportionalen Takt­ frequenz beträgt beispielsweise f = 10 kHz.

Innerhalb eines der Zeitspanne δt = 0,1 ms entsprechenden Taktes verschiebt sich das linksseitig in das Sensorgehäuse 5 eintretende Objekt 9 bei einer angenommenen Durchlaufge­ schwindigkeit v = 300 m/min somit um die Strecke δs = v.δt = 0,5 mm relativ zum Sensorgehäuse 5 und den die Sekundär­ strahlung 10 erfassenden Lichtwellenleiter-Endstücken 71'/72' (siehe Fig. 10a). Das vom Komparator 172 aufgrund des Durch­ laufes einer Oberflächenanomalie erzeugte Signal 2 kann also frühestens einer 5 Takte entsprechenden Zeitspanne δt = 0,5 ms nach dem vom Komparator 171 erzeugten Signal 1 am Eingang des Logikbausteines 31 anliegen, sofern der axiale Abstand der beiden Lichtwellenleiter-Strukturen 71'/72' im Gehäuse 5 wie angenommen d = 2,5 mm beträgt. Tritt Signal 2 bereits δt ≦ 0,5 ms, insbesondere δt ≦ 0,4 ms nach Signal 1 auf, liegt offensichtlich eine Störung vor. Gleiches gilt, wenn Signal 2 erst nach Ablauf einer Zeitspanne δt ≧ 0,5 ms + τ (τ = 0,1-0,2 ms) am entsprechenden Eingang des Logikbausteines 31 anliegt.

Wie in Fig. 10b schematisch dargestellt, enthält der programmierbare Logikbaustein 31 mehrere, jeweils vom Signal­ generator 30 angesteuerte Zähler 41/42/43, wobei Signal 1 den Zähler 41 startet. Tritt innerhalb der nächsten 4 Takte ein Signal 2 auf, erzeugt der Logikbaustein 31 kein Ausgangs­ signal, da es sich um eines Störung handeln muß (siehe oben). Erreicht der Zählerstand hingegen Z(41) = 4 (4 Takte:= 0,4 ms bzw. 2 mm) und liegt noch kein Signal 2 an, wird Zähler 42 aktiviert. Es erfolgt wiederum keine Reaktion des Logikbau­ steins 31, falls der Zählerstand Z(42) = 3 (3 Takte:= 0,3 ms bzw. 1,5 mm) erreicht, ohne daß Signal 2 auftrat. Ist die Bedingung {Z(42) = 3/Signal 2 vorhanden} hingegen erfüllt, erhöht sich der Zählerstand des Zählers 43 mit jedem Takt von Z(43) = 0 um jeweils eine Einheit, um schließlich bei Z(43) = 260 (:= 130 mm) beispielsweise eine Kamera zu aktivieren. Die die Schadstelle bzw. Anomalie aufnehmende Kamera ist hier also in einer Entfernung S = 130 mm von den beiden Lichtwel­ lenleiter-Strukturen 71'/72' im Sensorgehäuse 5 angeordnet.

f) Ausgestaltungen und Weiterbildungen

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. So ist es ohne weiteres möglich:
Die Anzahl m der quellenseitigen Lichtwellenleiter 2 ungleich der Anzahl n der detektorseitigen Lichtwellenleiter 7/71/72 zu wählen (m ≠ n, bzw. m ≠ n');
jedem quellenseitigen Lichtwellenleiter 2 oder Gruppen quellen­ seitiger Lichtwellenleiter 2 jeweils eine eigene Photonen­ quelle 3 zuzuordnen;
das Objekt 9 mit Photonen der Wellenlänge 500 nm ≦ λ ≦ 1300 nm zu bestrahlen;
Lumineszenzdioden und Laserdioden als Photonenquelle 3 einzu­ setzen, wobei insbesondere GaAs-Dioden (λ ≈ 900 nm), AlGaAs/GaAs-Dioden (λ ≈ 830 nm), InGaAsP/InP-Dioden (λ ≈ 1310 nm), GaAlAs/GaAs-Oxidstreifen-Laserdioden (λ ≈ 800-900 nm) oder sogenannte GaInAsP/InP-MCRW (Metall Clad Ridge Wave­ guide)-Laserdioden (λ ≈ 1300 nm) in Betracht kommen;
die Photonenquelle 3 ohne Zwischenschaltung eines Lichtwel­ lenleiters 2 als Beleuchtungselement in das Gehäuse 5 einzu­ bauen, sofern die Photonenquelle 2 einen ausreichend gebün­ delten Strahl 4 emittiert bzw. mit fokussierenden Elementen versehen ist;
jedem der detektorseitigen Lichtwellenleiter 7/71/72 oder Gruppen detektorseitiger Lichtwellenleiter 7/71/72 jeweils einen eigenen Photonendetektor mit nachgeschalteter Auswerte­ elektronik 14 zuzuordnen;
eine PIN-Photodiode (Si) oder eine Avalanche-Si-Photodiode für Strahlung der Wellenlänge bis λ ≈ 1100 nm oder eine InGaAs/InP-Avalanche-Photodiode für Strahlung der Wellenlänge λ ≈ 1300 nm als Photonendetektor 8/81/82 zu verwenden;
einen Photonendetektor 8/81/82 ggf. ohne Zwischenschaltung eines Lichtwellenleiters 7/71/72 im Gehäuse 5 anzuordnen, sofern er im wesentlichen nur die senkrecht zur Bohrungs­ längsachse 11 emittierte Sekundärstrahlung 10 erfaßt;
auch die Endstücke 7'/71'/72' der detektorseitigen Lichtwel­ lenleiter 7/71/72 geneigt bezüglich der Bohrungslängsachse 11 im Gehäuse 5 zu haltern, wobei der Neigungswinkel bezüglich der Bohrungslängsachse 11 im Bereich von ϕ = 70°-90° liegen sollte;
anstelle von Quarzglas-Lichtwellenleitern jeweils Kunststoff- Lichtwellenleiter oder Lichtwellenleiter-Fasern (Lichtwellenleiter ohne Ummantelung) zu verwenden;
das Gehäuse 5 aus einem lichtundurchlässigen Kunststoff (dunkel eingefärbtes Polyethylen) zu fertigen.

Claims (13)

1. Optischer Sensor zur Untersuchung der Eigenschaften eines langgestreckten oder strangförmigen Objektes, wobei der Sensor aufweist:

• a) ein mit einer durchgängigen Bohrung (6) versehenes Gehäuse (5),
• b) eine Anzahl m ≧ 1 von Beleuchtungselementen (2/3), welche das in der Bohrung (6) durchlaufende Objekt (9) jeweils mit einer unter einem Winkel 0° < α < 60° bezüglich der Längsachse (11) der Bohrung (6) einfallenden Strahlungs­ sonde (4) beaufschlagen und
• c) eine Anzahl n ≧ 1 von Detektorelementen (7, 8) zur Messung der Intensität der durch Bestrahlung des Objektes (9) hervorgerufenen Sekundärstrahlung (10).

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Photonenquelle (3) und eine Anzahl m erster Lichtwellenleiter (2), wobei die gehäuseseitigen Endstücke (2') der ersten Lichtwellenleiter (2) jeweils auf die Längs­ achse (11) der Bohrung (6) ausgerichtet und unter dem Winkel α geneigt bezüglich der Längsachse (11) der Bohrung (6) gehaltert sind.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anzahl n zweiter Lichtwellenleiter (7) und eine Anzahl n' ≦ n erster Photonendetektoren (8) zur Messung der Intensi­ tät der ihnen von einem oder mehreren der zweiten Lichtwel­ lenleiter (7) zugeführten Sekundärstrahlung (10), wobei die gehäuseseitigen Endstücke (7') der zweiten Lichtwellenleiter (7) jeweils derart ausgerichtet sind, daß sie im wesentlichen nur die annähernd senkrecht zur Längsachse (11) der Bohrung (6) emittierte Sekundärstrahlung (10) erfassen.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäuseseitigen Endstücke (7') der zweiten Lichtwel­ lenleiter (7) jeweils auf die Längsachse (11) der Bohrung (6) ausgerichtet, annähernd senkrecht zu ihr orientiert sowie in radialer Richtung beabstandet von der Längsachse (11) im Bereich des Schnittpunktes der Längsachsen der gehäuseseiti­ gen Endstücke (2') der ersten Lichtwellenleiter (2) angeord­ net sind.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gehäuseseitigen Endstücke (7') der zweiten Lichtwel­ lenleiter (7) in einer senkrecht zur Längsachse (11) der Bohrung (6) orientierten Ebene eine stern- oder ringförmige Struktur bilden.

6. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Anzahl l dritter Lichtwellenleiter und einer Anzahl l' ≦ l zweiter Photonendetektoren (81/82) zur Messung der Intensi­ tät der ihnen von einem oder mehreren der dritten Lichtwel­ lenleiter (71, 72) zugeführten Sekundärstrahlung (10), wobei die gehäuseseitigen Endstücke (71'/72') der dritten Lichtwel­ lenleiter (71, 72) axial beabstandet von den gehäuseseitigen Endstücken (72') der zweiten Lichtwellenleiter (72) angeord­ net und diesen entsprechend bezüglich der Längsachse (11) der Bohrung (6) ausgerichtet sind.

7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α im Bereich 0° ≦ α ≦ 60° oder im Bereich 2° ≦ α ≦ 30° liegt.

8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ganzen Zahlen m, n und l jeweils der Bedingung 4 ≦ m, n, l ≦ 20 oder der Bedingung 8 ≦ m, n, l ≦ 12 mit n = l genügen.

9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenquelle (3) Strahlung der Wellenlänge 500 nm ≦ λ ≦ 1300 nm emittiert.

10. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein zweiteiliges Gehäuse (22, 23), wobei zumindest einer der beiden Gehäuseteile (23) um eine außerhalb des Gehäuses liegende und parallel zur Längsachse (11) der Bohrung (6) orientierte Achse (24) drehbar gehaltert ist.

11. Optischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (22, 23) in einer die Längsachse (11) der Bohrung (6) enthaltenden Ebene zweigeteilt ist.

12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten Photonendetektor (8, 81) eine erste Verstär­ kereinheit (15, 151, 161) und einen ersten Komparator (17, 171) enthaltende erste Auswerteeinheit (14) zugeordnet ist, wobei die erste Auswerteeinheit (14) immer dann ein erstes Ausgangssignal erzeugt, wenn eine im ersten Photonendetektor (8, 81) gemessene Sekundärstrahlungsintensität höher oder niedriger ist als ein vom ersten Komparator (17, 171) vorge­ gebener erster Schwellenwert (19, 191).

13. Optischer Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß einem zweiten Photonendetektor (82) eine eine zweite Verstärkereinheit (151, 161) und einen zweiten Komparator (172) enthaltende zweite Auswerteeinheit zugeordnet ist, wobei die zweite Auswerteeinheit immer dann ein zweites Ausgangssignal erzeugt, wenn eine im zweiten Photonendetektor (82) gemessene Sekundärstrahlungsintensität höher oder nied­ riger ist als ein vom zweiten Komparator (172) vorgegebener zweiter Schwellenwert (192) und daß eine eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal beaufschlagte Bewertereinheit (31) immer dann ein drittes Ausgangssignal erzeugt, wenn die Ausgangssignale der beiden Auswerteeinhei­ ten innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls auftreten und sie einen vorgegebenen zeitlichen Mindestabstand zueinander aufweisen.