DE3710041A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen elektro-optischen abstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungs­ losen opto-elektronischen Abstandsmessung einer licht­ reflektierenden Fläche eines Meßkörpers, mit einer in ihrer Intensität hochfrequent modulierten Lichtquelle, deren Licht die lichtreflektierende Fläche beauf­ schlagt, und mit einem das reflektierte Licht empfan­ genden Meßlichtdetektor, dessen Meßsignal eine einen Phasenvergleich mit einem Referenzsignal durchführende Phasenmeßeinrichtung speist, deren Ausgangssignal ein Maß für die zu erfassenden Abstände ist.

Eine solche aus der DE-OS 30 44 831 bekannte Vorrich­ tung gestattet die Messung des Abstandes einer reflek­ tierenden Meßkörperoberfläche mit Hilfe eines sich in der Umgebungsluft über eine gewisse Entfernung gerad­ linig ausbreitenden Lichtstrahles, wobei eine Änderung des Lichtweges mit Hilfe von Spiegeln vorgesehen ist. Im Hinblick auf die Art der Lichtausbreitung ist es erforderlich, die bekannte Vorrichtung insgesamt in der Nähe des Meßkörpers anzuordnen. Häufig ist jedoch der Einsatz einer auf der Grundlage des sogenannten opti­ schen Radars basierenden Vorrichtung zur berührungs­ losen opto-elektronischen Abstandsmessung an Stellen erwünscht, die den Einbau der Vorrichtung z.B. wegen Platzmangels oder zu hohen Umgebungstemperaturen nicht gestatten. Die bekannte Vorrichtung muß dann so ange­ ordnet werden, daß zwischen deren Meßkopf und dem Meßobjekt ein sich geradlinig erstreckender Freiraum verbleibt.

Ein Verfahren und eine Anordnung zur Entfernungsmessung mittels einer Phasenmessung eines einem optischen Träger aufmodulierten Signals ist auch in der CH-PS 4 88 196 beschrieben. Auch diese Anordnung ist unmittel­ bar an einem Ende der Meßstrecke angeordnet, wodurch sich die oben erörterte Einschränkung hinsichtlich des Platzbedarfs oder zu hoher Temperatur ergibt.

In der GB-PS 15 87 723 ist eine Anordnung mit einem Lichtwellenleiter geoffenbart, durch den Laserlicht zu einem Objekt geführt wird und durch den das vom Objekt reflektierte Licht zurückübertragen wird. Diese Vor­ richtung dient jedoch zum Erfassen eines optischen Signals, um auf der Grundlage des Dopplereffektes die Geschwindigkeit von bewegten Partikeln beispielsweise in einem Blutstrom zu erfassen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, die Lichterzeugung und Lichtauswertung in einem großen Abstand von der eigentlichen Meßstrecke vorzunehmen, ohne daß zwischen der Meßstrecke und der Vorrichtung ein Freiraum vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle an ein Bündel optischer Fasern mit einer ersten und einer zweiten Fasergruppe angekoppelt ist, daß die Faserenden der ersten Fasergruppe die in dem zu messenden Abstand von den Faserenden angeordnete lichtreflektierende Fläche des Meßkörpers anstrahlen, daß das reflektierte Licht über eine dritte Fasergruppe den Meßlichtdetektor speist, und daß die Fasern der zweiten Fasergruppe einen vor den Faserenden angeordne­ ten Referenzspiegel anstrahlen, wobei das reflektierte Licht über eine vierte Fasergruppe zu einem Referenz­ lichtdetektor gelangt, dessen Ausgangssignal der Pha­ senmeßeinrichtung als Referenzsignal zugeführt ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die vier Fasergruppen zu fünf Faserbündeln ent­ sprechend den Ansprüchen 2 bis 6 zusammengefaßt. Der Referenzspiegel sowie eine Kollimatorlinse sind in der Nähe eines Endes der Meßstrecke angeordnet, die über zwei Faserbündel mit einer vorzugsweise gemeinsamen Umhüllung mit der Lichtquelle und den Lichtdetektoren gekoppelt sind. Infolge der durch die Faserbündel getrennten Hin- und Rückwege für das Licht zwischen der Lichtquelle und den Lichtdetektoren werden rückge­ streute bzw. reflektierte Lichtanteile mit falscher Phasenlage vermieden, so daß das Signal-Rausch-Verhält­ nis der Vorrichtung sehr hoch ist und eine Phasenmes­ sung mit großer Stabilität und hoher Auflösung möglich ist, obwohl keine empfindlichen Justierungen durchge­ führt werden müssen. Da die Faserbündelstrecken zwi­ schen der Meßstrecke und der die Lichtquelle und die Lichtdetektoren enthaltenden Anordnung die gleiche geometrische Länge haben, kompensieren sich temperatur­ abhängige Änderungen sowie sonstige äußere Störeffekte.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erörtert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Zuordnung der Faserbündel und der Faser­ bündelweiche der Vorrichtung in einer ver­ größerten Darstellung und

Fig. 3 die Zuordnung der einzelnen Fasern der Faser­ gruppen zu den Faserbündeln und den Licht­ wegen in der Faserbündelweiche.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur berührungslosen opto-elektronischen Abstandsmessung bildet einen faseroptischen streckenneutralen Wegsensor zur Erfassung des Abstandes zu einem in der Zeichnung nicht dargestellten Meßkörper, auf dem ein Reflektor 1, insbesondere ein Retroreflektor angeordnet ist. Bei dem Meßkörper handelt es sich beispielsweise um einen Positionierschlitten oder einen bewegten Kolben, dessen Lage erfaßt werden soll. Die Länge der Meßstrecke zwischen dem Reflektor 1 und einer Kollimatorlinse 2, die in Fig. 1 durch die Pfeile 3 und 4 veranschaulicht ist, hat bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungs­ beispiel einen Eindeutigkeitsbereich der Wegmessung von etwa 0,9 m.

Das aus der Kollimatorlinse 2 austretende Licht stammt von einer Lichtquelle 5, beispielsweise einer licht­ emittierenden Diode (LED), die mit Hilfe eines quarz­ stabilisierten Treiberoszillators 6 mit einer Modu­ lationsfrequenz von 160 MHz gespeist ist und daher amplitudenmoduliertes bzw. intensitätsmoduliertes Licht aussendet.

Die Lichtquelle 5 ist durch Stoßkopplung mit dem Ende 7 eines ersten Faserbündels 8 gekoppelt, so daß in Rich­ tung des Pfeiles 9 moduliertes Licht zu einer Faser­ bündelweiche 10 übertragen wird, deren Aufbau weiter unten im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 genauer dargestellt ist.

Die Faserbündelweiche 10 gestattet es, das über das erste Faserbündel 8 eingespeiste Licht zu einem zweiten Faserbündel 11 und einem dritten Faserbündel 12 zu übertragen.

Das in das zweite Faserbündel 11 eingespeiste modu­ lierte Licht gelangt zur Kollimatorlinse 2, die das aus dem Faserbündelende 13 austretende divergente Licht kollimiert und als Parallelstrahl auf den Reflektor 1 richtet. Der über das dritte Faserbündel 12 die Faser­ bündelweiche 10 verlassende Teil des modulierten Lich­ tes gelangt zu einem am Faserbündelende 14 angeordneten Referenzspiegel 15, der das ihn beaufschlagende Licht mit fester Referenzphase unmittelbar in das dritte Faserbündel 12 zurückreflektiert, während das auf den beweglichen Reflektor 1 auftreffende Licht mit einer Phase in das zweite Faserbündel 11 zurückreflektiert wird, die eine lineare Funktion der Position des Re­ flektors 1 ist.

Die Doppelpfeile 16 und 17 neben dem zweiten Faser­ bündel 11 und dem dritten Faserbündel 12 veranschau­ lichen, daß in den beiden Faserbündeln 11, 12 Licht in beiden Richtungen transportiert wird, wobei jedoch für jede Richtung unterschiedliche Fasern der Faserbündel 11, 12 verwendet werden, was in Fig. 3 verdeutlicht ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im zweiten Faserbündel 11 und im dritten Faser­ bündel 12 faseroptische Stecker 18, 19 vorgesehen, die es gestatten, die Faserbündel 11, 12 zu lösen und gegebenenfalls durch längere oder kürzere andere Faser­ bündel 11, 12 zu ersetzen. Wenn nach dem Manipulieren der faseroptischen Stecker 18, 19 eine andere Zuordnung der einzelnen Fasern für den Hinweg oder Rückweg des Lichtes zustande kommt, ist dies wegen des insbesondere in Fig. 3 veranschaulichten Aufbaus der Faserbündel­ weiche 10 ohne Bedeutung.

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist die Faserbündelweiche 10 mit einem vierten Faserbündel 20 verbunden, durch das in Richtung des Pfeiles 21 das vom Reflektor 1 reflektierte Licht zu einem Meßlichtdetektor 22 ge­ langt. Entsprechend gelangt das vom Referenzspiegel 15 reflektierte Licht über die Faserbündelweiche 10 und ein mit dieser verbundenes fünftes Faserbündel 23 in Richtung des Pfeils 24 zu einem Referenzlichtdetektor 25.

Der Meßlichtdetektor 22 ist an einen auf die Modula­ tionsfrequenz abgestimmten selektiven Meßsignalver­ stärker 26 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Ein­ gang einer Meßsignalmischstufe 27 verbunden ist. Ent­ sprechend gelangt das vom Referenzlichtdetektor 25 er­ zeugte Referenzsignal über einen selektiven Referenz­ signalverstärker 28 zu einer Referenzsignalmischstufe 29.

Die Meßsignalmischstufe 27 und die Referenzsignalmisch­ stufe 29 sind mit einem gemeinsamen quarzstabilen Hilfsoszillator 30 verbunden, dessen Frequenz bei­ spielsweise 159,55 MHz beträgt, so daß am Ausgang 31 der Meßsignalmischstufe 27 ein Zwischenfrequenzsignal mit einer Frequenz von 455 kHz ansteht, dessen Phase gleich der Phase des vom Meßlichtdetektor 22 gelie­ ferten Meßsignales ist. Entsprechend wird über den Ausgang 32 der Referenzsignalmischstufe 29 ein Zwi­ schenfrequenzsignal zur Verfügung gestellt, dessen Phase gleich der Phase des vom Referenzlichtdetektor 25 erfaßten Referenzsignals ist. Die beiden Zwischenfre­ quenzsignale speisen die beiden Eingänge einer Phasen­ meßeinrichtung 33, die an ihrem Ausgang 34 ein Analog­ signal liefert, welches zur Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Referenzsignal und damit zu der durch die Pfeile 3, 4 veranschaulichten Weglänge pro­ portional ist.

Da die beiden Strecken der Faserbündel 11, 12 die gleiche geometrische Länge haben, kompensieren sich temperaturabhängige Änderungen sowie sonstige dem Referenzarm und dem Meßarm gemeinsame äußere Störeffek­ te, wie z.B. Änderungen der Umgebungstemperatur. Die Messung ist somit nicht nur unabhängig von Intensitäts­ schwankungen der Lichtquelle 5, sondern auch z.B. von Einflüssen durch Biegen der Faserbündel 11, 12 und sonstigen Streckenverlusten.

Als Fasern für die Faserbündel 8, 11, 12, 20, 23 werden Stufenindexfasern oder Gradientenindexfasern verwendet, die einen Durchmesser von etwa 30 µm haben.

Die Faserbündel 11, 12 gestatten es, die Meßstrecke sehr weit und insbesondere einige hundert Meter ent­ fernt von der Lichtquelle 5 und den Lichtdetektoren 22, 25 vorzusehen. Der Durchmesser der Faserbündel 8, 11, 12, 20, 23 liegt in der Größenordnung Millimeter, so daß nur geringe Intensitätsverluste auftreten. Zweck­ mäßig ist es, wenn das zweite Faserbündel 11 und das dritte Faserbündel 12 von einer gemeinsamen in Fig. 1 nicht dargestellten Umhüllung umgeben sind.

Um eine günstige Aufteilung des Lichtes der Lichtquelle 5 auf den durch das zweite Faserbündel 11 gebildeten Meßarm und den durch das dritte Faserbündel 12 gebil­ dete Referenzarm zu erreichen, sind die Einzelfasern im ersten Faserbündel 8 statistisch gemischt. Entsprechen­ des gilt für die Einzelfasern im zweiten Faserbündel 11 und im dritten Faserbündel 12.

In Fig. 2 ist die Faserbündelweiche 10 mit den an ihr angeschlossenen Faserbündeln 8, 11, 12, 20 und 23 gesondert dargestellt, um die Lichtwege zu veranschau­ lichen. Außerdem erkennt man in Fig. 2 die an den Enden der Faserbündel 8, 11, 12, 20 und 23 vorgesehenen faseroptischen Stecker 35, 36, 37, 38 und 39.

Wie man in Fig. 2 erkennt, geht das erste Faserbündel 8 in der Faserbündelweiche 10 in das zweite Faserbündel 11 und das dritte Faserbündel 12 über. Das in die Faserbündel 11 und 12 zurückreflektierte Licht wird mit Hilfe der Faserbündelweiche 10 jeweils zum vierten Faserbündel 20 und zum fünften Faserbündel 23 umge­ lenkt.

Die Lichtführung und Lichtumlenkung in der Faserbündel­ weiche 10 erfolgt mit vier Gruppen von Fasern, die zur Verdeutlichung in Fig. 3 jeweils durch eine einzelne repräsentative Faser gesondert dargestellt sind.

Das erste Faserbündel 8 enthält Fasern der ersten Fasergruppe 41, mit deren Hilfe Licht von der Licht­ quelle 5 zur Kollimatorlinse 2 gelangt. Die Fasern der zweiten Fasergruppe 42 leiten Licht der Lichtquelle 5 zum Referenzspiegel 15. Die dritte Fasergruppe 43 überträgt das in die Kollimatorlinse 2 einfallende, vom Meßobjekt herrührende Licht über das zweite Faserbündel 11 zum vierten Faserbündel 20. Die vierte Fasergruppe 44 stellt für das vom Referenzspiegel 15 reflektierte Licht über das dritte Faserbündel 12, die Faserbündel­ weiche 10 und das fünfte Faserbündel 23 einen Lichtweg zum Referenzlichtdetektor 25 her. In Fig. 3 erkennt man deutlich, daß jeweils getrennte Hinwege und Rückwege für das Licht zwischen den Licht empfangenden und Licht aussendenden Teilen vorhanden sind. Deshalb existiert keine Rückstreuung, so daß ein hohes Signal-Rausch-Ver­ hältnis sowie eine hohe Stabilität der faseroptischen Phasenmessung erreicht werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur berührungslosen opto-elektroni­ schen Abstandsmessung einer lichtreflektierenden Fläche eines Meßkörpers, mit einer in ihrer In­ tensität hochfrequent modulierten Lichtquelle, deren Licht die lichtreflektierende Fläche beauf­ schlagt, und mit einem das reflektierte Licht empfangenden Meßlichtdetektor, dessen Meßsignal eine einen Phasenvergleich mit einem Referenz­ signal durchführende Phasenmeßeinrichtung speist, deren Ausgangssignal ein Maß für die zu erfassen­ den Abstände ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (5) an ein Bündel (8) optischer Fasern mit einer ersten (41) und einer zweiten Fasergruppe (42) angekoppelt ist, daß die Faserenden (13) der ersten Fasergruppe (41) die in dem zu messenden Abstand von den Faserenden (13) angeordnete lichtreflektierende Fläche (1) des Meßkörpers anstrahlen, daß das reflektierte Licht über eine dritte Fasergruppe (43) den Meß­ lichtdetektor (22) speist, und daß die Fasern der zweiten Fasergruppe (42) einen vor den Faserenden (14) angeordneten Referenzspiegel (15) anstrahlen, wobei das reflektierte Licht über eine vierte Fasergruppe (44) zu einem Referenzlichtdetektor (25) gelangt, dessen Ausgangssignal der Phasen­ meßeinrichtung (33) als Referenzsignal zugeführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern der ersten (41) und der zweiten Fasergruppe (42) innerhalb des der Lichtquelle (5) benachbarten Bereiches zu einem ersten Faserbündel (8) zusammengefaßt sind, das sich zwischen der Lichtquelle (5) und einer Faserbündelweiche (10) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern der ersten (41) und dritten Fasergruppe (43) innerhalb des dem Meßkörper (1) benachbarten Bereiches zu einem zweiten Faserbündel (11) zusammengefaßt sind, das sich zwischen einer vor den Faserenden (13) ange­ ordneten Kollimatorlinse (2) und der Faserbündel­ weiche (10) erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der zweiten (42) und vierten Fasergruppe (44) innerhalb des dem Referenzspiegel (15) benachbarten Bereiches zu einem dritten Faserbündel (12) zusammengefaßt sind, das sich zwischen dem Referenzspiegel (15) und der Faserbündelweiche (10) erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der dritten Fasergruppe (43) innerhalb des dem Meßlichtdetektor (22) benachbarten Bereiches zu einem vierten Faserbündel (20) zusammengefaßt sind, das sich zwischen dem Meßlichtdetektor (22) und der Faserbündelweiche (10) erstreckt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der vierten Fasergruppe (44) innerhalb des dem Referenzlichtdetektor (25) benachbarten Bereiches zu einem fünften Faserbündel (23) zusammengefaßt sind, das sich zwischen dem Referenzlichtdetektor (25) und der Faserbündelweiche (10) erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei­ ten (11) und dritten Faserbündel (12) gleich lang und von einer gemeinsamen Umhüllung umgeben sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser­ bündelweiche (10) in der Nähe der Lichtquelle (5) und der Lichtdetektoren (22, 25) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten und dritten Faserbündel (11, 12) über faseroptische Stecker (18, 19) lösbar mit der Faserbündelweiche (10) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ lichtdetektor (22) und der Referenzlichtdetektor (25) jeweils über einen Schmalbandverstärker (26, 28) mit einer zugeordneten Mischstufe (27, 29) verbunden sind, die ihrerseits mit einem Hilfs­ oszillator (30) und einer Phasenmeßeinrichtung (33) verbunden sind.