DE3403887C2

DE3403887C2 - Sensor

Info

Publication number: DE3403887C2
Application number: DE3403887A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 7000 Stuttgart Ruhrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-04
Filing date: 1984-02-04
Publication date: 1986-11-13
Also published as: DE3403887A1

Abstract

Ein Sensor ist mit einem Gehäuse (10) versehen, das zwei Abschnitte (11, 12) und einen dazwischenliegenden Zwischenraum (14) aufweist. An den einen Abschnitt (11) ist ein langgestreckter Lichtleiter (13) flexibel angelenkt, dessen freies Ende sich bei Auslenkung des Lichtleiters (13) an einem am gegenüberliegenden Abschnitt (12) angeordneten Aufnahmeelement vorbeibewegt. Das Aufnahmeelement ist ein lumineszierender Körper (19), dessen eine Achse sich wenigstens näherungsweise parallel zur Bewegungsbahn des freien Endes des Lichtleiters (13) in dessen unmittelbarer Nähe erstreckt. Der Körper (19) ist an wenigstens einer Begrenzungsfläche mit einem photoempfindlichen Element (20) versehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einem Gehäuse, das zwei Abschnitte und einen dazwischenliegenden Zwischenraum aufweist, wobei an den einen Abschnitt ein langgestreckt Lichtleiter flexibel angelenkt ist, dessen freies Ende sich bei Auslenkung des Lichtleiters an einem am gegenüberliegenden Abschnitt angeordneten Aufnahmeelement vorbeibewegt, wobei das Aufnahnicelcment ein langgestreckter Körper ist, dessen eine Achse sich wenigstens näherungsweise parallel zur Bewegungsbahn des freien Endes des Lichtleiters in dessen unmittelbarer Nähe erstreckt und der mit einer photoempfindlichen Einrichtung versehen ist.

Ein dertiger Sensor ist aus der DE-OS 3222 591 bekannt.

Der bekannte Sensor weist als photoempfindliches Element einen Halbleiterblock auf, der als zweidimensionaler, positionsempfindlicher Photodetektor wirkt und in einer Technologie hergestellt ist, wie man sie von integrierten Schaltkreisen her kennt Nähere Einzelheiten über dieses Element sind dabei nicht angegeben.

Zwar kann man mit dem bekannten Sensor die Auslenkung des Lichtleiters erfassen, aufgrund der verwendeten Technologie integrierter Schaltkreise wird jedoch eine Vielzahl diskreter photoempfindlicher Elemente verwendet sein, die zum einen eine nur endliche Auflösung der Messung ermöglichen und zum anderen einer relativ komplizierten Auswertung bedürfen. Außerdem sind in Halbleitertechnik hergestellte Bauelemente erfahrungsgemäß temperaturempfindlich, und Kompensationsmaßnahmen sind aufwendig.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Erfassung des Meßwertes, das heißt der Auslenkung des Lichtleiters, kontinuierlich mit hoher Auflösung möglich ist, wobei dennoch einfache Bauelemente Verwendung finden, die auch unter ungünstigen Umweltbedingungen verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper ein nimineszierender Körper ist und daß an mindestens zwei gegenüberliegenden, in Richtung der beiden Enden der Bewegungsbahn liegenden Begrenzungsflächen des Körpers zur photoempfindlichen Einrichtung gehörende photoempfindliche Elemente angeordnet sind, deren Ausgangssignale einer Dividierstufe zugeführt sind.

Der erfindungsgemäße Sensor hat damit mehrere wesentliche Vorteile:

ίο Durch die Anregung von Lumineszenzen am Auftreffpunkt des vom Lichtleiter ausgesandten Lichtstrahles werden in beiden an den Grenzflächen angeordneten photoempfindlichen Elementen Signale erzeugt Der Ort der angeregten Lumineszenz wandert kontinuier-

K· lieh mit der Auslenkung des Lichtleiters, so daß ein absolut homogener Verlauf des Signales über der Auslenkung des Lichtleiters vorliegt Es treten mithin keine Stufen oder Sprünge auf, wie sie bei Sensoren mit mehreren Elementen auftreten würden. Je nach Präzision der photoempfindlichen Elemente könner daher Messungen mit hoher Auflösung durchgeführt werden.

Durch die Verwendung des Lumineszenzkörpers ergibt sich weiterhin ein sehr einfacher Aufbau, der weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen ist, insbesondere auch gegenüber mechanischer Belastung, die sich bei Halbleiterbauelementen negativ auswirken können. Auch sind Hie Lumineszenzeigenschaften eines solchen Körpers in weit geringerem Maße temperaturabhängig, als dies bei Halbleiterbauelementen der Fall ist

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Vorrichtung, die einen Halbleiterbaustein mit mehreren diskret verteilten photoempfindlichen Elementen benutzt ist der, daß bekanntlich aus dem freien Ende eines Lichtleiters das Licht kegelförmig austritt wobei beträchtliche Kegelwinkel auftreten können. Da, um Fehlrncssungcr. zu vermeiden, ein gewisser Mindestabstand vom freien Ende des Lichtleiters zum lichtempfindlichen Element gewahrt werden muß, kann bei Verwendung einer Vielzahl von derartigen Elementen der Fall eintreten, daß mehrere nebeneinanderliegende Elemente vom Lichtkegel beleuchtet werden.

Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Sensor mit dem lumineszierenden Körper den systematischen Vorteil, daß auch bei weit geöffnetem Lichtkegel ein relaitv großer Auftreffbereich des Lichtes nicht schadet, weil das Integral der angeregten Lumineszenz in den am Ende des Köipers angeordneten photoempfindlichen Elementen wirksam wird und es in sehr guter Näherung

s\ gleichgültig ist ob die Auftrefffläche punktförmig oder um die Punktposition herum kreisförmig verteilt ist.

Zwar ist es aus der DE-AS 19 41 905 bekannt, bei einem Lichtschrankengitter mit mehreren, von einem Ringzähler zyklisch durchgeschalteten Lampen, deren Licht auf nebeneinanderliegende Punkte im Lichteintrittsbereich eines stabförmigen Lichtleiters fokussiert werden, als Lichteintrittsbereich eine Längsnut mit fluoreszierendem Material zu verwenden, bei diesem bekannten Lichtschrankengitter dient das fluoreszierende Material jedoch lediglich als Lichtsammler, der das Licht irgend eines der Auftreffpunkte zu einem am Längsende des Materials liegenden Photoelement weiterleitet. Eine Lagerbestimmung ist deswegen weder erforderlich noch gewünscht, weil immer nur jeweils ein Licht-Auftreffpunkt erscheint, weil die mehreren Lampen zyklisch mittels des Ringzählers durchgeschaltet werden und die Position der jeweiligen Senderlampe durch den Zählstand des Ringzählers ohnehin festliegt.

Die mit fluoreszierendem Material gefüllte Längsnut hat daher lediglich die Aufgabe, das Licht irgendeines Lichtpunktes an das Photoelement weiterzuleiten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors liegt in der Verwendung zweier photoempfindlicher Elemente an gegenüberliegenden Begrenzungsflächen und bewirkt, daß Alterungsprozesse, Verschmutzungen und dergleichen durch eine geeignete Kompensationsschaltung, insbesondere eine Dividierstufe, eliminiert werden können

Die Erfindung macht sich von Vorteil auch die Tatsache zunutze, daß die Annäherung des freien Endes des Lichtleiters an die eine Begrenzungsfläche einer Entfernung von der anderen Begrenzungsfläche entspricht, wobei der Absolutbetrag des jeweils übertragenen und in den photoempfindlichen Elementen empfangenen Lichtes, der in bezug auf die Lichtquelle und die Meßstrecke Alterungs- und Verschmutzungsprozessen unterworfen ist, durch Quotientenbildung in besonders einfacher Weise eliminiert werden kann. Man erhält demzufolge einen besonders langzeitstabilen Sensor, der auch unter erschwerten Umgebur.gsbedingungen arbeiten kann, beispielsweise dann, wenn LMirchftußmessungen eines strömenden Mediums durchgeführt werden sollen, bei denen das Medium nicht ganz frei von Schmutzteilchen ist

Zwar ist es aus der DE-AS 22 31 776 bekannt, eine Quotientenbildung der Signale zweier photoempfindlicher Elemente vorzunehmen, um Schwankungen der Helligkeit eines Leuchtstabes, der beide photoempfindlichen Elemente beleuchtet, zu kompensieren, an eine gleichzeitige Ausnutzung der Quotientenbildung für eine Lagebestimmung ist dabei jedoch nicht gedacht, weil bei der bekannten Anordnung eines der beiden photoempfindlichen Elemente als Referenzelement ständig von licht beschienen ist, während nur das andere photoempfindliche Element meßwertabhängig mehr oder weniger beleuchtet wird. Es werden daher nur Schwankungen der Lichtquelle selbst, nicht jedoch der Meßstrecke kompensiert

Insgesamt hat die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Sensors, die Auslenkung des freien Endes des Lichtleiters kontinuierlich erfassen zu können, den wesentlichen Vorteil, den Anwendungsbereich des Sensors auf eine Vielzahl von Meßaufgaben zu erweitem. So kann beispielsweise die Auslenkung des Lichtleiters aufgrund einer Verzögerung oder Beschleunigung der Lichtleitermasse kontinuierlich gemessen werden, darüber hinaus kann aber auch das freie Ende des Lichtleiters einem Strom eines Mediums ausgesetzt werden, so daß kontinuierliche Durchflußmessungen möglich sind: schließlich kann auch das freie Ende unmittelbar einer Kraft, beispielsweise einer Wägeeinrichtung, ausgesetzt werden, so daß kontinuierliche Gewichtsmessungen möglich sind.

Es versteht sich dabei, daß das freie Ende des Lichtleiters auch mit anderen schwenkbaren Teilen einer Meßapparatur zusammenwirken kann, beispielsweise kann der Lichtleiter fest mit einer Drosselklappe eines Durchflußmessers, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, verbunden sein, so daß die Auslenkung der Drosselklappe kontinuierlich erfaßt wird. Entsprechendes gilt für die Erfassung der Bewegung einer Membran oder dergleichen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgendun Beschreibung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt eines Teils eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Sensors; F i g. 2 einen Stromlaufplan für den Sensor;

F i g. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispieles.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel dient zum Messen eines Durchflusses eines gasförmigen Mediums. Es

ίο versteht sich jedoch, daß diese beispielhafte Darstellung den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Sensors nicht einschränkt, sondern lediglich als Illustration zu verstehen ist

In F i g. 1 ist 10 ein Gehäuse, beispielsweise aus

Kunststoff, bei dem zwischen einem ersten Abschnitt 11 und einem zweiten Abschnitt 12, die beispielsweise gegenüberliegende Wandungen einer Rohrleitung sein können, ein Lichtleiter 13 in einem Zwischenraum 14 einseitig eingespannt angordnet ist

Selbstverständlich kann der Lichtleiter 13 auch mit einem beweglichen Teil, beispielsw.\;e einer Drosselklappe oder einer Membran, verbunden sein.

Eine Lampe 15 in einem Hohlraum 16 des ersten Abschnittes 11 ist über eine Zuleitung 17 mit einer Klemme 18 verbunden. Wird die Lampe 15 angesteuert, beleuchtet sie dis eine, eingespannte Ende des Lichtleiters 13.

Das freie Ende des Lichtleiters 13, aus dem bei Beleuchtung des anderen Endes durch die Lampe 15 Licht austritt ist wie mit dem Pfeil in F i g. 1 angedeutet, im Zwischenraum 14 beweglich, sei es durrh das Einwirken einer externen Kraft, im dargestellten Beispiel der Kraft des anströmenden Mediums, einer mechanisch mit einem Bauteil ausgeübten Kraft oder infolge der Trägheitskraft wenn eine Beschleunigung oder Verzögerung auf den Sensor ausgeübt wird.

Das freie Ende des Lichtleiters 13 bewegt sich in der Nähe eines langgestreckten lumineszierenden Körpers 19, insbesondere eines Stabes, dessen Längsachse sich in der Nähe der Bewegungsbahn des freien Enc'es des Lichtleiters 13 befindet An jedem axialen Ende des Iumineszierenden Körpers 19, ist je ein photoempfindlichc ι Element 20, 20a, wobei in F i g. 1 nur das Element 20 gezeigt ist direkt oder über einen Lichtleiter angeschlossen. Vom photoempfindlichen Element 20 führt eine Leitung 21 zu einer Klemme 22, an der ein Meßwert abnehmbar ist.

Das durchströmende Medium ist beim Ausführungsbeispiel mit Pfeilen 23 in F i g. 1 angedeutet. Unter der Kraft des anströmenden Mediums wird das freie Ende

so des Lichtleiters 13 in Pfeiirichtur.g ausgelenkt so daß es sich in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des lumineszierenden Körpers 19 bewegt die in F i g. 1 mit 24 als gekrümmte Oberfläche ingedeutet ist. Es versteht sich jedor*«, iaß der Körper 19 auch gerade ausgebildet sein kann, so daß er parallel zu einer Tangente an die Ortskurve des freien EL'Jes des Lichtleiters 13 liegt Die Wirkungsweise des Sensors ist wie folgt: Das aus dem freien Ende des Lichtleiters 13 austretende Licht fällt je nach Auslenkung des freien Endes auf einen bestimmten Ort entlang der Längsachse des lumineszierenden Körpers 19. Das von den Luminophoren dieses Ortes ausgesandte Licht wird, unterstützt durch eine Totalreflextion an den Begreiizungsflächen des Körpers 19. zu den Begrenzungsflächen des Kör pers 19 weitergeleitet und fällt dort auf die photoemp findlichen Elemente 20,20a. Da das Material des lumineszierenden Körpers 19 nicht ideal lichtleitend ist gelangt das von den Luminophoren abgestrahlte Licht um

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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so abgeschwächter auf das jeweilige photoempfindliche Element 20 bzw. 20a, je weiter sich der Ort der vom freien Ende des Lichtleiters 13 beleuchteten Luminophore vom jeweiligen photoempfindlichen Element 20 bzw. 20a weg befindet.

Bei einem Durchflußmesser der gezeichneten Art kann beispielsweise ein Lichtleiter 13 in Gestalt einer flexiblen Folie wegen des höheren Strömungswiderstandes von besonderem Vorteil sein, wobei der zugehörige Körper 19 dann wegen der breiten Austrittsflä- ehe des Lichtes ebenso eine flächenhafte Gestalt, beispielsweise einer lumineszierenden Platte, haben könnte.

Die beiden Elemente 20, 20a nach Fig.2 stellen gleichzeitig die beiden möglichen Endlagen des freien Endes des Lichtleiters 13 bei Auslenkung dar.

Das photoempfindliche Element 20 ist über seine Leitung 21 und das weitere photoempfindliche Element 20a über eine Leitung 215 an die beiden Eingänge einer S

Dividierstufe 30 angeschlossen, deren Ausgang zu einer 20 < Klemme 31 führt

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 soll im folgenden anhand F i g. 3 erläutert werden.

Geht man davon aus. daß der Körper 19 eine Gesamt- 2s länge / habe, beträgt der Abstand des freien Endes des Körpers 13 in einer bestimmten Position zu dem einen freien Ende χ und der Abstand zum anderen freien Ende 1—x. Auf die photoempfindlichen Elemente 20,20a fällt

dann ein Lichtsignal /ι bzw. /2, je nachdem wie groß χ ist 30 ■

In F i g. 3 sind die Elemente 20,20a lediglich der Veranschaulichung halber etwas vom Körper 19 abgerückt

dargestellt bei einer praktischen Ausführungsform ^

grenzen sie selbstverständlich an die jeweiligen Grenz- '.

flächen des Körpers 19. 35 '

Bezeichnet man nun mit α die optische Dämpfungskonstante des Materiales des Körpers 19, kann man zeigen, daß für den Quotienten der Intensitäten /1, I₁ gilt:

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/1//2 = Cexp(-2:*xj

Für die Konstante Cgilt dabei C= exp (al).

Wie man sieht liegt an der Klemme 31 gemäß F i g. 2 ein Signal an, das sich exponentiell mit dem Abstand χ ändert Durch Bildung des natürlichen Logarithmus kann man nun beispielsweise eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignales von der Größe χ herstellen, auch an sich bekannte Vergleichsverfahren mit Wertetabellen sind einsetzbar. so

Claims

Patentanspruch:

Sensor mit einem Gehäuse (10), das zwei Abschnitte (11, 12) und einen dazwischenliegenden Zwischenraum (14) aufweist wobei an den einen Abschnitt (11) ein langgestreckter Lichtleiter (13) flexibel angelenkt ist dessen freies Ende sich bei Auslenkung des Lichtleiters (13) an einem am gegenüberliegenden Abschnitt (12) angeordneten Aufnahmeelement vorbeibewegt wobei das Aufnahmeelement ein langgestreckter Körper (19) ist dessen eine Achse sich wenigstens näherungsweise parallel zur Bewegungsbahn des freien Endes des Lichtleiters (13) in dessen unmittelbarer Nähe erstreckt und der mit einer photoempfindlichen Einrichtung versehen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (19) ein lumineszierender Körper (19) ist und daß an mindestens zwei gegenüberliegenden, in Richtung der beiden Enden der Bewegungsbahn liegenden Begrenzueesflächen des Körpers (19) zur photoempfindiichen Einrichtung gehörende photoempfindliche Elemente (20, 20a) angeordnet sind, deren Ausgangssignale einer Dividierstufe (30) zugeführt sind.