DE3712699C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Umwandlung physikalischer Größen in ein elektrisches Signal mit einem lichtleitenden Meßkörper, der mit räumlich verteilten Leuchtkörpern versehen ist, von denen in diffuser Verteilung Lichtstrahlen ausgehen, die in Abhängigkeit von der physikalischen Größe an Grenzflächen des Meßkörpers austreten oder totalreflektiert werden, wobei die totalreflektierten Lichtstrahlen an einer Stirnfläche des Meßkörpers ausgekoppelt werden und auf fotoempfindliche Elemente fallen, deren Ausgangssignal in das elektrische Signal umgewandelt wird.

Ein Sensor der vorstehenden Art ist aus der DE-OS 32 47 659 bekannt.

Bei dem bekannten Sensor sind bevorzugt in einer lichtleitenden Platte oder einem lichtleitenden zylindrischen Körper Lumineszenzteilchen eingebracht, die durch Bestrahlung zum Leuchten gebracht werden. Wegen der diffusen Abstrahlung der Lumineszenzteilchen tritt ein Teil der von diesen Teilchen emittierten Lichtstrahlen unter Brechung ihrer Richtung vom Einfallslot weg aus dem Sensorkörper aus während flacher verlaufende Lichtstrahlen an der Grenzfläche zwischen Sensorkörper und Umgebung (typischerweise: Luft) totalreflektiert und somit im Sensorkörper zur Stirnfläche weggeführt werden.

Das Verhältnis von austretender zu totalreflektierter Lichtmenge läßt sich in mannigfaltiger Weise durch physikalische Größen variieren, beispielsweise durch die Lage des auftreffenden, die Lumineszenzteilchen anregenden externen Lichtstrahls, durch das Verhältnis der Brechungsindizes des Sensorkörpers und des umgebenden Mediums usw.

Bei dem bekannten Sensor ist von Nachteil, daß sich die Umgebungsbedingungen, beispielsweise die Umgebungstemperatur und dgl. störend auf das Meßergebnis auswirken können, weil diese Umgebungsbedingungen den Analogwert der jeweils gemessenen Lichtmenge beeinflussen könne.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß das Meßergebnis weitgehend unabhängig von derartigen Umgebungsbedingungen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßkörper einen lichtleitenden Kern eines ersten Brechungsindex sowie einen den Kern umgebenden lichtleitenden Mantel eines zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex und dieser wiederum größer als ein dritter Brechungsindex eines den Mantel umgebenden Außenraums ist, daß der Kern mit den Leuchtkörpern versehen ist, und daß durch Totalreflektion an einer Kern/Mantel-Grenzfläche im Kern geführte erste Lichtstrahlen getrennt von durch Totalreflektion an einer Mantel/Außenraum-Grenzfläche im Mantel und im Kern geführten zweiten Lichtstrahlen aus der Stirnfläche ausgekoppelt und getrennten fotoempfindlichen Elementen zugeführt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil zwei nach dem Austritt an einer Stirnseite räumlich voneinander separierbare Strahlenbündel, nämlich ein Bündel von Kern-Strahlen und ein Bündel von Mantel-Strahlen erzeugt werden, die exakt denselben Umgebungsbedingungen, beispielsweise derselben Umgebungstemperatur, unterliegen. Durch geeignete Verknüpfung der von den fotoempfindlichen Elementen erzeugten Signale, insbesondere durch Quotientenbildung dieser Signale, kann nun ein Meßwert erzeugt werden, bei dem störende Einflüsse der Umgebungsbedingungen eliminiert sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Meßkörper an der Stirnseite an einen langgestreckten lichtleitenden Körper angeschlossen, der sich zu einer gegenüberliegenden weiteren Stirnfläche unter einem Winkel weitet, der mindestens dem kritischen Brechungswinkel an der Grenzfläche zwischen Mantel und Außenraum entspricht, wobei die fotoempfindlichen Elemente an der weiteren Stirnfläche angeordnet sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein kompakter Sensoraufbau entsteht, bei dem der eigentliche Meßkörper von den fotoempfindlichen Elementen räumlich durch entsprechende Verlängerung des lichtleitenden Körpers getrennt werden kann. Die z. B. konische Aufwertung des lichtleitenden Körpers hat dabei den Vorteil, daß in den Randbereichen der konischen Aufweitung nur die Mantel-Strahlen geführt werden, weil sich diese unter einem steileren Winkel zur Ausbreitungsrichtung fortpflanzen, als dies bei den Kern-Strahlen der Fall ist. Durch räumlich versetzte Anordnung von fotoempfindlichen Elementen an die weitere Stirnfläche im Bereich der konischen Aufweitung können daher die Kern-Strahlen sauber von den Mantel-Strahlen separiert werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die Leuchtkörper Lumineszenzkörper oder Streukörper oder elektrische Leuchtkörper sein.

Die Verwendung von Lumineszenskörpern, d. h. selbst lichtaussendenden Körpern bei Bestrahlung mit externem Licht bzw. von Streukörpern, d. h. im Medium angeordneten Körpern, die auffallendes Fremdlicht lediglich diffus reflektieren, hat den Vorteil, daß lediglich Fremdlicht an die Meßstelle gebracht werden muß, ohne daß elektrische Zuleitungen erforderlich sind. Im Falle der Verwendung von Streukörpern kann ein weiterer Meßeffekt dadurch erzielt werden, daß Fremdlicht unterschiedlicher Wellenlänge eingestrahlt wird, um auf diese Weise eine Codierung des Meßergebnisses zu erreichen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Quotientenbildner zur Bildung des Quotienten aus den Ausgangssignalen der fotoempfindlichen Elemente vorgesehen.

Es wurde bereits erwähnt, daß durch geeignete Verknüpfung der Ausgangssignale der fotoempfindlichen Elemente störende Umwelteinflüsse eliminert werden können. Obwohl hierzu zahlreiche Verknüpfungsarten einsetzbar sind, hat sich die Quotientenbildung als besonders einfach und zuverlässig erwiesen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Meßkörper prismatisch ausgebildet und ein fotoempfindliches Element ist im axialen Abstand vom Zentrum der Stirnfläche und mindestens ein weiters fotoempfindliches Element ist radial und axial beabstandet vom Zentrum angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß, ähnlich wie bei dem bereits geschilderten Ausführungsbeispiel mit konischer Aufweitung eines lichtleitenden Körpers auch hier die unterschiedlichen Austrittswinkel an der Stirnfläche ausgenutzt werden, um die Kern-Strahlen von den Mantel-Strahlen zu separieren.

Bei einer Weiterbildung dieser Variante sind die weiteren fotoempfindlichen Element als Ringelement ausgebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein besonders gutes Meßsignal erhalten werden kann, weil die bestrahlte Fläche der fotoempfindlichen Elemente besonders groß ist.

Bei einer weiteren Variante dieses Ausführungsbeispiels ist zwischen dem zentralen fotoempfindlichen Element und dem weiteren fotoempfindlichen Elemente eine ringförmige Abdeckblende angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Überlappungsbereich von Kern-Strahlen und Mantel-Strahlen abgedeckt werden kann, um eindeutige Meßverhältnisse zu schaffen.

Bei einer Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die physikalische Größe eine Strecke und der Meßkörper ist langgestreckt sowie mit einem Mantel versehen, wobei ein Lichtstrahl in radialer Richtung im axialen Abstand der Strecke von einer radialen Bezugsebene auf den Meßkörper fällt und dort die Leuchtkörper zu diffuser Lichtaussendung anregt.

Diese Gruppe von Ausführungsbeispielen macht sich die Tatsache zunutze, daß bei unterschiedlichen Ausbreitungswinkeln die Mantel-Strahlen und die Kern-Strahlen vom Auftreffpunkt des radial einfallenden Lichtstrahls bis zur Stirnfläche, an der sie ausgekoppelt werden, unterschiedliche Wegstrecken zurücklegen, so daß bei endlicher und bekannter Dämpfung der Quotient der ausgekoppelten Strahlen ein Maß für die Strecke ist.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die physikalische Größe eine Dichte oder ein Druck eines Mediums und der Meßkörper grenzt mit der Oberfläche des Mantels an das Medium.

Diese Gruppe von Ausführungsbeispielen macht sich die Tatsache zunutze, daß je nach Verhältnis der Dichten bzw. der damit verknüpften Brechungsindizes des mit dem Medium gefüllten Außenraums bzw. des Mantels des Sensorkörpers ein mehr oder weniger großer Anteil des diffus von den Leuchtkörpern ausgesandten Lichts in das Medium ausgekoppelt oder an der Grenzfläche totalreflektiert wird.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die physikalische Größe ein Füllstand eines Mediums und der Meßkörper grenzt in Abängigkeit vom Füllstand mit einem Teil der Oberfläche des Mantels an das Medium.

Auch dieses Ausführungsbeispiel macht sich die Tatsache zunutze, daß bei variierendem Füllstand eines Mediums, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex des Mantels, auch ein entsprechender Teil der von den Leuchtkörpern ausgesandten Lichtmenge in das umgebende Medium "abgesaugt" wird. Die Lichtmenge der Strahlen, die in dem nicht an das Medium angrenzenden Bereichs des Sensorkörpers durch Totalreflektion im Sensorkörper geführt werden, ist somit ein Maß für den Füllstand.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die physikalische Größe eine Temperatur, wobei der Meßkörper von einem Medium der zu messenden Temperatur umgeben ist und die Brechungsindizes des Kerns bzw. des Mantels einen definierten, unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufweisen.

Bei dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen macht man sich mit Vorteil die Tatsache zunutze, daß bei definiert unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der Brechungsindizes auch das Verhältnis der von den Kern-Strahlen erzeugten Signale zu dem von den Mantel-Strahlen erzeugten Signale eine Temperaturabhängigkeit aufweist.

Schließlich ist bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen die physikalischen Größe eine Kraft oder eine Strecke, wobei der Meßkörper als dünner, langgestreckter Körper ausgebildet, als Biegebalken angeordnet und von der Kraft eine Strecke auslenkbar ist.

Bei dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen macht man sich die Tatsache zunutze, daß bei Verformung eines Biegbalkens Krümmung definierter Art auftreten, so daß auch hier die Wegstrecken der unter unterschiedlichen Winkeln sich ausbreitenden Kern- und Mantelstrahlen sich in definierter Weise voneinander unterscheiden, so daß ein Rückschluß auf die Durchbiegung des Biegebalkens möglich ist.

Es versteht sich, daß bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen unterschiedlicher physikalischer Größen auch mittelbar meßbare physikalische Größen von der Erfindung mit umfaßt sind. So kann z. B. die Messung einer Dichte ein mittelbares Maß für die Messung eines Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie sein, weil bei sich änderndem Ladezustand auch der Säuregehalt und damit die Dichte des Elektrolyten variiert. In entsprechender Weise kann die Messung der Kraft und des Weges auch ein mittelbares Maß z. B. für einen Gasstrom sein, wenn sich ein als Biegebalken ausgebildeter Sensorkörper in einem Gasstrom befindet und sich je nach Geschwindigkeit des Gasstroms bzw. je nach durchgesetzter Luftmenge bei bekannten Strömungsquerschnitt der Biegebalken entsprechend durchbiegt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 bis Fig. 3 schematische Ansichten von Verläufen von Lichtstrahlen im Bereich eines lichtleitenden Kerns, eines lichtleitenden Mantels sowie eines lichtleitenden Außenraums;

Fig. 4 eine stark schematisierte Gesamtansicht, teilweise aufgebrochen, eines Ausführungsbeispieils eines erfindungsgemäßen Sensors mit Auswertelektronik;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Dichte oder eines Drucks eines Mediums;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung eines Füllstandes;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Temperatur;

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Kraft bzw. einer Strecke.

In den Fig. 1 bis 3 ist in vergrößerter Darstellung der Strahlengang für Lichtstrahlen unterschiedlicher Richtung angedeutet, wenn sich diese Lichtstrahlen in einem Lichtleiter ausbreiten, der in einem mit einem Medium gefüllten oder evakuierten Außenraum 10 mit einem Brechungsindex n _A angeordnet ist. Der Lichtleiter weist an seiner Außenseite einen Mantel 11 mit einem Brechungsindex n _M auf und besteht im Inneren aus einem Kern 12 mit einem Brechungsindex n _K . Für die folgende Betrachtung wird angenommen, daß der Brechungsindex n _K des Kerns 12 größer ist als der Brechungsindex n _M des Mantels 11 und dieser wiederum größer als der Brechungsindex n _A des Außenraums 10.

In Fig. 1 bis 13 ein erster, relativ flacher Lichtstrahl, der im Kern 12 geführt wird. Der Lichtstrahl 13 trifft an einen bestimmten Punkt auf eine erste Grenzfläche 14 zwischen Kern 12 und Mantel 11. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispielsfall fällt der erste Lichtstrahl 13 unter einen Winkel α₁ zum Lot 15 im Auftreffpunkt auf die Grenzfläche 14. Dieser Winkel α₁ ist größer als der kritische Grenzwinkel α _tKM der Totalreflektion, der bekanntlich der Beziehung:

sin α _tKM = n _M /n _K

gehorcht. Da α₁ größer ist als α _tKM wird der erste Lichtstrahl 13 totalreflektiert und als reflektierter Lichtstrahl 13 a im Kern 12 weitergeführt.

Erst wenn die Richtung des auftreffenden Lichtstrahls so ist, wie es mit einem zweiten Lichtstrahl 16 in Fig. 1 eingezeichnet ist, der genau unter dem Winkel α _tKM zum Lot 15 auf die erste Genzfläche 14 trifft, liegt der Grenzfall des in die erste Genzfläche 14 gebrochenen zweiten Lichtstrahls 16 a zwischen Totalreflektion und Auskopplung vor.

Fig. 2 zeigt einen dritten Fall eines dritten Lichtstrahls 20, der unter einem Winkel α₂ zum Lot 15 einfällt, der kleiner ist als der kritische Grenzwinkel α _tKM . Infolgedessen tritt der dritte Lichtstrahl 20 durch die erste Grenzfläche 14 durch und gelangt in den Bereich des Mantels 11. Dort trifft der ausgetretene dritte Lichtstrahl 20 a auf eine zweite Grenzfläche 21 zwischen Mantel 11 und Außenraum 10. Der kritische Grenzwinkel der Totalreflektion an der zweiten Grenzfläche 21 sei α _tMA und dieser Winkel berechnet sich aus den Brechungsindizes n _M und n _A wie bereits oben am Beispiel von α _tKM gezeigt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispielsfall trifft der ausgetretene Lichtstrahl 20 a auf die zweite Grenzfläche 21 unter einem Winkel α₃, der größer als der kritische Grenzwinkel α _tMA der Totalreflektion an der zweiten Grenzfläche 21 ist. Folglich wird der ausgetretene dritte Lichtstrahl 20 a an der zweiten Grenzfläche 21 totalreflektiert und als Lichtstrahl 20 b auf die erste Grenzfläche 14 zurückgeführt, wo er - unter Berechnung zum Lot hin - wieder in den Kern 12 eintritt und zwar unter dem Winkel α₂. Schließlich zeigt Fig. 3 noch einen vierten Lichtstrahl 30, der aus dem Kern 12 als Lichtstrahl 30 a austritt und gerade unter dem kritischen Grenzwinkel α _tMA auf die zweite Grenzfläche 21 trifft und dort in der zweiten Grenzfläche 21 als Lichtstrahl 30 b weitergeführt wird. Um diesen Grenzfall zu erreichen, muß der vierte Lichtstrahl 30 unter einem kritischen Winkel α _tKA auf die erste Grenzfläche 14 fallen, damit der in Fig. 3 dargestellte Strahlengang 30/30 a/30 b entsteht. Dabei gilt:

sin α _tMA = n _A /n _K

Noch steiler als unter dem Winkel α _tKA auf die erste Grenzfläche 14 auftreffende Lichtstrahlen wie dies mit einem fünften Lichtstrahl 31 in Fig. 3 gezeigt ist, der unter einem noch kleineren Winkel α₄ auf die erste Grenzfläche 14 trifft, treten als Lichtstrahl 31 a zunächst in den Mantel 11 ein und gelangen dann unter einem Winkel α₅ auf die zweite Grenzfläche 21, wobei jedoch α₅ kleiner ist als α _tMA , so daß der Lichtstrahl 31 a als Lichtstrahl 31 b auch aus dem Mantel 11 austritt und in den Außenraum 10 gelangt.

Es ergeben sich also gesamthaft betrachtet, drei interessierende Winkelbereiche, die in Fig. 3 mit α _RK , α _RM und α _tKA bezeichnet sind.

Die im Winkelbereich α _RK auf die erste Grenzfläche 14 fallenden Lichtstrahlen (Beispiel der Fig. 1) werden an der ersten Grenzfläche 14 totalreflektiert und somit nur im Kern 12 in Ausbreitungsrichtung geführt.

Die im Winkelbereich α _RM auf die erste Grenzfläche 14 auftreffenden Lichtstrahlen treten zwar aus dem Kern 12 aus, werden jedoch an der zweiten Grenzfläche 21 totalreflektiert und demzufolge in Ausbreitungsrichtung im Kern 12 und im Mantel 11 geführt.

Die im Winkelbereich α _tKA auf die erste Grenzfläche 14 auftreffenden Lichtstrahlen treten hingegen aus dem Kern 12 in den Mantel 11 und von dort in den Außenraum 10 aus.

Bei einer Anordnung gemäß den Fig. 1 bis 3 hat man es daher mit zwei verschiedenen Lichtstrahlführungen zu tun.

Ein erstes, relativ flaches Lichtbündel α _RK wird durch Totalreflektion an der ersten Grenzfläche 14 nur im Kern 12 geführt und diese Lichtstrahlen werden daher nachstehend als "Kern-Strahlen" bezeichnet.

Ein zweites, etwas steiler verlaufendes Lichtbündel α _RM wird hingegen durch Totalreflektion an der zweiten Grenzfläche 21 im Mantel und im Kern 12 geführt und diese Lichtstrahlen werden nachstehend als "Mantel-Strahlen" bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung macht sich diese beiden unterschiedlichen Strahlenarten zunutze, indem jeweils eine Strahlenart als Referenzstrahl und die andere als Meßstrahl verwendet wird. Da sich nämlich beide Strahlenarten im wesentlichen im Kern 12 ausbreiten, sind sie auch denselben Umweltbedingungen, insbesondere derselben Temperatur, ausgesetzt, so daß durch Verknüpfung der beiden Strahlenarten Meßergebnisse erzielt werden können, die frei von Umwelteinflüssen sind.

Fig. 4 zeigt ein erstes praktischen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wie er z. B. zur Messung einer Strecke s verwendet werden kann.

Der in Fig. 4 zu erkennende Sensor 39 weist einen Meßkörper 40 auf, der aus einem lichtleitenden Kern 41 und einem lichtleitenden Mantel 42 besteht. Der Meßkörper 40 kann beispielsweise eine Lichtleitfaser sein, die mit einem dünnen Überzug, einem sogenannten "Cladding" versehen ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Manteldicke wesentlich geringer als die Kerndicke, dies muß für die Belange der vorliegenden Erfindung jedoch nicht systematisch so sein.

Wie aus der oben im einzelnen angeführten phänomenologischen Betrachtung an Hand der Fig. 1 bis 3 deutlich wurde, muß zur Erzeugung und Separierung der Kern-Strahlen und der Mantel-Strahlen zunächst ein diffuses Lichtbündel erzeugt werden, in dem möglichst Lichtstrahlen aller beliebigen Richtungen auftreten.

Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 das Material des Kerns 41 mit Leuchtkörpern 43 versehen, wobei unter "Leuchtkörper" jedwedes Element verstanden wird, das in der Lage ist, diffuses Primär- oder Sekundärlicht auszustrahlen. So können die Leuchtkörper beispielsweise lumineszierende oder fluoreszierende Elemente sein, die nach Anregung durch ein externes Licht eine Eigenstrahlung bestimmter Wellenlänge abgeben. Leuchtkörper können jedoch auch diffus reflektierende Teilchen sein, wie sie in Festkörper einlagerbar oder in Flüssigkeiten aufschwemmbar sind (z. B. in der sogenannten Tyndall-Lösung). Die diffuse Lichtaussendung von derartigen Teilchen erfolgt durch einfache Bestrahlung mit Primärlicht, das an den Teilchen diffus reflektiert wird. Schließlich können Leuchtkörper auch eigenleuchtende elektrische Leuchtkörper, z. B. Leuchtdioden oder dgl. sein, soweit nicht (wie etwa beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4) dem systematische Gründe wegen der speziellen physikalischen Meßgröße entgegenstehen.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird die physikalische Größe, nämlich die Strecke s durch den axialen Abstand eines radial einfallenden sechsten Lichtstrahls 44 von einer Bezugsebene 45 definiert. Der sechste Lichtstrahl 44 induziert in einer der vorstehend beschriebenen Weise eine diffuse Lichtstrahlung derjenigen Leuchtkörper 43, die sich in einer Radialebene im Abstand s von der Bezugsebene 45 im Kern 41 befinden.

Infolge des zu den Fig. 1 bis 3 ausführlich beschriebenen Mechanismus breiten sich nun im Kern 41 Kern-Strahlen 46 und im Kern 12 sowie im Mantel 42 Mantel-Strahlen 47 aus. Diese Strahlen 46, 47 bereiten sich beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 auch in einer Ausbreitungsrichtung nach rechts aus und gelangen schließlich auf eine Stirnfläche 50 des Meßkörpers 40. Da die Kern-Strahlen 46 einerseits und die Mantel-Strahlen 47 andererseits sich jeweils nur innerhalb eines definierten Winkelbereichs (vgl. α _RK und α _RM in Fig. 3) ausbreiten, treten die Kern-Strahlen 46 und die Mantel-Strahlen 47 auch unter definiert verschiedenen Öffnungswinkeln aus der Stirnfläche 50 aus. In Fig. 4 ist dies durch einen Kern-Öffnungswinkel 51 und einen Mantel-Öffnungswinkel 52 äußerst schematisch veranschaulicht.

Positioniert man nun im axialen Abstand von der Stirnfläche 50 eine Platte 55, auf die die beiden Strahlenbündel fallen, so ergibt sich bei geeigneter Dimensionierung eine Auftrefffläche nur für die Kern-Strahlen 46 und eine andere Auftrefffläche nur für die Mantel-Strahlen 47, wobei natürlich zwischen diesen Auftreffflächen Überlappungsbereiche bestehen können. Durch geeignete Dimensionierung kann man nun ein Kern-Fotoelement 56 bzw. ein Mantel-Fotoelement 57, 57 a an der Oberfläche der Platte 55 so anordnen, daß diese Fotoelemente 56 bzw. 57, 57 a jeweils nur von aus der Stirnfläche 50 ausgetretenen Kern-Strahlen 46 bzw. Mantel-Strahlen 47 beaufschlagt werden.

Die Signale der Fotoelemente 56, 57 können nun einem Quotientenbildner 58 zugeführt werden, an dessen Ausgang 59 ein Meßsignal S abnehmbar ist.

Man kann nun zeigen, daß der Quotient σ der Intensitäten der Mantel-Strahlen 47 und der Kern-Strahlen 46 der Beziehung:

gehorcht.

Die sich aus der vorstehenden Überlegung ergebende Tatsache, daß der Quotient der Intensitäten der beiden Strahlenarten konstant ist, läßt mehrere Möglichkeiten zu, Meßeffekte auszunutzen:

Bei einer Art von Ausführungsbeispielen (z. B. weiter unten Fig. 5) wird die vorstehend bezeichnete Gleichung dazu ausgenutzt, um bei bekannten Brechungskoeffizienten n _K und n _M von Kern und Mantel den Brechungsindex des Mediums im Außenraum zu bestimmen. Der Sensor dient in diesem Falle als Refraktometer.

Bei diesem Ausführungsbeispiel und auch bei allen weiteren Ausführungsbeispielen nutzt man darüber hinaus die Tatsache aus, daß im ungestörten Fall der Quotient der Intensitäten der beiden Strahlenarten konstant ist und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle des Meßkörpers das diffuse Licht erzeugt wird. Aus Veränderungen im Bereich einer Strahlenart infolge Variation einer zu messenden physikalischen Größe (aus praktischen Gründen meist im Bereich der Mantel-Strahlen) kann man dann unterschiedliche Meßeffekte ableiten.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 geschieht dies dadurch, daß man sich eine geometrische Eigenschaft der Anordnung zunutze macht. Wegen des unterschiedlich flachen Verlaufes der Strahlen 46 bzw. 47 und wegen der demzufolge häufigen bzw. weniger häufigen Reflektion an den Grenzflächen Kern/Mantel bzw. Mantel/Außenraum durchlaufen die Kern-Strahlen 46 und die Mantel-Strahlen 47 auf ihrem Weg von der durch den sechsten Lichtstrahl 44 definierten Radialebene zur Stirnfläche 50 unterschiedliche Wegstrecken. Da der Dämpfungsfaktor des Materials des Kerns 41 und des Mantels 42 bekannt ist, ist die Intensität der aus der Stirnfläche 50 austretenden Kern-Strahlen 46 und Mantel-Strahlen 47 ein direktes Maß für die Strecke s. Durch Quotientenbildung der entsprechenden Signale oder durch eine sonstige geeignete Verknüpfung der Signale kann dann noch ein Signal S am Ausgang 59 erhalten werden, das frei von Umwelteinflüssen ist. Wenn nämlich die Temperaturkoeffizienten der Brechungsindizes oder der Dämpfungsfaktoren im Kern 41 und Mantel 42 näherungsweise gleich sind, so würden sich Temperaturänderungen bei den Intensitäten der Strahlenarten auf diese Weise aufheben.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 dient der Sensor, wie bereits angedeutet, als Refraktometer 60. In einem Behälter 61 befindet sich ein Medium 62, von dem unmittelbar der Brechungsindex und mittelbar daraus z. B. die Dichte ρ oder der Druck p oder daraus wiederum mittelbar der Ladezustand einer Akkumulatorbatterie mit flüssigen Elektrolyten bestimmt werden soll.

Zu diesem Zweck ist ein Lichtleitkörper 63 vorgesehen, der die Wand des Behälters durchdringt und nach oben hin in einen Konus 64 mit einem Kegelwinkel 65 ausläuft. Auf den Konus 64 ist eine Sensorplatte 66 mit einem Kern-Fotoelement 67 und einem Mantel-Fotoelement 68, 68 a aufgesetzt. Zur Ausschaltung von Überlappungsbereichen kann zwischen den Fotoelementen 67 und 68, 68 a noch eine Ringblende 69 vorgesehen sein.

An das untere Ende des Lichtleitkörpers 63, der über seinen Querschnitt gleichförmig ausgebildet ist, ist ein Meßkörper 70 angesetzt, der über seinen Querschnitt in einen Kern 71 in einen Mantel 72 unterteilt ist. Im Kern 71 sind wiederum Leuchtkörper 73 eingebettet. Der Meßkörper 70 grenzt mit einer Stirnseite 74 an die Unterseite des Lichtleitkörpers 63. Mittels eines axial durch die Sensorplatte 66 geführten Lichtleiters 75 kann nun ein siebter Lichtstrahl 76 in axialer Richtung auf den Kern 71 geleitet werden, um die Leuchtkörper 73 zum Aussenden diffusen Lichts zu veranlassen.

Alternativ hierzu kann auch ein achter Lichtstrahl 77 in radialer Richtung auf den Meßkörper 70 gerichtet werden, beispielsweise indem man einen geeigneten abgewinkelten Lichtleiter durch das Medium 62 führt.

Bei einer weiteren Alternative kann ein neunter Lichtstrahl 78 auf das untere Ende des Meßkörpers 70 gerichtet werden, indem von der Oberseite des Mediums 62 her ein Lichtstrahl auf einen auf einem Boden 79 des Behälters 61 angeordneten Reflektor 80 gerichtet wird.

Gleichgültig, ob die Leuchtkörper 73 nun mit dem siebten Lichtstrahl 76, dem achten Lichtstrahl 77 oder dem neunten Lichtstrahl 78 angeregt wurden, geben sie ein diffuses Licht ab, das in der erläuterten Weise Kern-Strahlen und Mantel-Strahlen erzeugt. Im Bereich des Meßkörpers 70 werden diese Strahlenarten unter unterschiedlichen Winkeln im Kern 71 bzw. im Kern 71 und im Mantel 72 geführt. An der Stirnseite 74 treten beide Strahlenarten in den insoweit gleichförmigen Lichtleitkörper 63 aus, was jedoch nicht nachteilig ist, weil die beiden Strahlenarten auch im Lichtleitkörper 63 ihre definiert unterschiedlichen Winkelbereiche der Ausbreitungsrichtung einnehmen.

Für eine Trennung der beiden Strahlenarten sorgt der Konus 64, dessen Kegelwinkel 65 mindestens so groß wie der Mantel-Öffnungswinkel 52 in Fig. 4 dimensioniert ist. Dies bedeutet, daß in der Peripherie des Konus 64 nur Mantel-Strahlen ausbreitungsfähig sind, so daß nur diese auf die Mantel-Fotoelemente 68, 68 a fallen.

Bei Gelegenheit dieses Ausführungsbeispiels sei zu diesem Mantel-Fotoelementen 68, 68 a noch erläutert, daß diese natürlich auch in Gestalt eines ringförmigen Elementes ausgebildet sein können, um eine höhere Signalausbeute zu erzielen.

Werden die Signale der Fotoelemente 67 bzw. 68, 68 a aus Fig. 5 in einer Auswerteschaltung ähnlich Fig. 4 ausgewertet, ergibt sich wiederum ein um Umwelteinflüsse bereinigtes Signal, das ein direktes Maß für den Brechungsindex des Mediums 62 nach der weiter vorne genannten Gleichung oder ein unmittelbares Maß für andere Parameter des Mediums 62, z. B. dessen Dichte ρ oder dessen Druck p ist, sofern die Abhängigkeit dieser Parameter vom Brechungsindex bekannt ist.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 dient der Sensor als Füllstandssensor 85. Ein Meßkörper 86 durchsetzt den Behälter 61 in diesem Fall über seine gesamte lichte Höhe, innerhalb der ein Füllstand h variieren kann. Der Meßkörper 86 weist wiederum einen mit Leuchtkörpern dotierten Kern 87 und einen Mantel 88 in der bereits beschriebenen Weise auf. Auch die Anregung der diffusen Strahlung kann auf eine der zu Fig. 5 beschriebenen Weise erfolgen.

Das Medium 62 in Fig. 6 muß in Abweichung zu den Darstellungen der Fig. 1 bis 3 einen größeren oder gleich großen Brechungsindex als der Mantel 88 aufweisen. Dies bedeutet, daß über die Höhe des Mediums 62 aller Mantel-Strahlen in das Medium 62 ausgeleitet werden, weil dann an der Grenzfläche zwischen Mantel 88 und Medium 62 keine Totalreflektion auftreten kann. Das an Mantel-Fotoelementen abnehmbare Signal erfaßt daher nur solche Mantel-Strahlen, die im Bereich oberhalb des Füllstandes h auch im Mantel 88 ausbreitungsfähig sind. Auch in diesem Falle wird wiederum durch Verknüpfung mit dem Signal der Kern-Strahlen, die von alldem unbeeinflußt sind, eine Elimination von Umwelteinflüssen, insbesondere der Temperatur, erreicht.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 dient der Sensor als Temperatursensor 90. Ein Meßkörper 91 mit Kern 92 und Mantel 93 ist bei diesem Ausführungsbeispiel abweichend so ausgestaltet, daß die Leuchtkörper als elektrische Leuchtkörper 95 im Kern 92 ausgebildet sind, die über ein Anschlußkabel 96 mit Energie versorgt werden können. Das von den elektrischen Leuchtkörpern 95 diffus ausgestrahlte Licht erzeugt jedoch ebenfalls in der bereits mehrfach geschilderten Weise Kern- und Mantel-Strahlen. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Temperatursensors 90 ist vorausgesetzt, daß die Brechungsindizes n _K und n _M von Kern 92 und Mantel 93 einen unterschiedlichen, jedoch wohl-definierten Temperaturkoeffizienten aufweisen. Wird nun der Sensorkörper 91 von einem Medium 94 einer unbekannten Temperatur T umgeben oder umströmt, so kann aus der Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes ein Meßsignal abgeleitet werden.

Schließlich zeigt Fig. 8 noch ein Ausführungsbeispiel eines Kraft/Wegsensors 100 mit einem langgestreckten Meßkörper 101 mit Kern 102 und Mantel 103, wobei der Meßkörper 101 als Biegebalken beispielsweise einseitig eingespannt ist.

Wirkt eine Kraft F auf das freie Ende des einseitig eingespannten Meßkörpers 101, so lenkt die Kraft F das freie Ende um eine Strecke s aus der Ruhelage aus.

Bekanntlich unterliegen bei einer Auslenkung eines Biegebalkens die einzelnen Volumenabschnitte des Biegebalkens einer Formänderung, was sich beim Meßkörper 101 in einer Variation der Krümmung der Grenzflächen im Bereich der zu durchlaufenden Wegstrecken für die Kern-Strahlen und die Mantel-Strahlen auswirkt. Man kann daher aus den mit dem Sensor 100 ermittelten Meßsignalen durch Umrechnung mit den bekannten Formeln für den Biegebalken entweder die Strecke s oder die Kraft F bestimmt.

Claims (14)

1. Sensor zur Umwandlung physikalischer Größen (s; n; ρ; p; h; T; F) in ein elektrisches Signal (S) mit einem lichtleitenden Meßkörper (40; 70; 86; 91; 101), der mit räumlich verteilten Leuchtkörpern (43; 73; 95) versehen ist, von denen in diffuser Verteilung Lichtstrahlen (13, 16, 20, 31; 46, 47) ausgehen, die in Abhängigkeit von der physikalischen Größe (s; n; ρ; p; h; T; F) an Grenzflächen (14, 21) des Meßkörpers (40; 70; 86; 91; 101) austreten oder totalreflektiert werden, wobei die totalreflektierten Lichtstrahlen (13, 20; 46, 47) an der Stirnfläche (50; 74, 81) des Meßkörpers (40; 70; 86; 91; 101) ausgekoppelt werden und auf fotoempfindliche Elemente (56, 57; 67; 68) fallen, deren Ausgangssignal in das elektrische Signal (S) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (40; 70; 86; 91; 101) einen lichtleitenden Kern (12; 41; 71; 87; 92; 102) eines ersten Brechungsindex (n _K ) sowie einen den Kern umgebenden lichtleitenden Mantel (11; 42; 72; 88; 93; 103) eines zweiten Brechungsindex (n _M ) aufweist, wobei der erste Brechungsindex (n _K ) größer als der zweite Brechungsindex (n _M ) und dieser wiederum größer als ein dritter Brechungsindex (n _A ) eines den Mantel (11; 42; 72; 88; 93; 103) umgebenden Außenraums (10) ist, daß der Kern (12; 41; 71; 87; 92; 102) mit den Leuchtkörpern (43; 73; 95) versehen ist, und daß durch Totalrefelektion an einer Kern/Mantel-Grenzfläche (14) im Kern (12; 41; 71; 87; 92; 102) geführte erste Lichtstrahlen (13; 46) getrennt von durch Totalreflektion an einer Mantel/Außenraum-Grenzfläche (21) im Mantel (11; 42; 72; 88; 93; 103) und im Kern (12; 41; 71; 87; 92; 102) geführten zweiten Lichtstrahlen (20; 47) aus der Stirnfläche (50; 74; 81) ausgekoppelt und getrennten fotoempfindlichen Elementen (56, 57; 67, 68) zugeführt werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (70; 86; 91; 101) an der Stirnseite (74) an einen langgestreckten lichtleitenden Körper (63) angeschlossen ist, der sich zu einer gegenüberliegenden weiteren Stirnfläche (81) unter einem Winkel (65) weitet, der mindestens dem kritischen Brechnungswinkel (α _tMA ) an der Grenzfläche (21) zwischen Mantel (72; 88; 93; 103) und Außenraum (10) entspricht und daß die fotoempfindlichen Elemente (67, 68) an der weiteren Stirnfläche (81) angeordnet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtkörper (43; 73) Lumineszenskörper sind.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtkörper (43; 73) Streukörper sind.

5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtkörper (95) elektrische Leuchtkörper sind.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quotientenbildner (58) zur Bildung des Quotienten aus den Ausgangssignalen der fotoempfindlichen Elemente (56, 57; 67, 68) vorgesehen ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (40; 70; 86; 91; 101) prismatisch ausgebildet ist und daß ein fotoempfindliches Element (56; 67) im axialen Abstand vom Zentrum der Stirnfläche (50; 81) und mindestens ein weiteres fotoempfindliches Element (57; 68) radial und axial beabstandet vom Zentrum angeordnet sind.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere fotoempfindliche Element (57; 68) als Ringelement abgebildet ist.

9. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zentralen fotoempfindlichen Element (56; 67) und dem weiteren fotoempfindlichen Element (57; 68) eine ringförmige Abdeckblende (69) angeordnet ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe eine Strecke (s) ist, daß der Meßkörper (40) langgestreckt und mit einem Mantel (42) versehen ist und daß ein Lichtstrahl (44) in radialer Richtung im axialen Abstand der Strecke (s) von einer radialen Bezugsebene (45) auf den Meßkörper (40) fällt und dort die Leuchtkörper (43) zur diffusen Lichtaussendung anregt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe ein Brechungsindex (n), eine Dichte (ρ) oder ein Druck (p) eines den Außenraum (10) ausfüllenden Mediums (62) ist, und daß der Meßkörper (70) mit der Oberfläche des Mantels (72) an das Medium (62) angrenzt.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe ein Füllstand (h) eines den Außenraum (10) teilweise ausfüllenden Mediums (62) ist und daß der Meßkörper (86) in Abhängigkeit vom Füllstand (h) mit einem Teil der Oberfläche seines Mantels (88) an das Medium (62) grenzt.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe eine Temperatur (T) ist, daß der Meßkörper (91) von einem den Außenraum (10) ausfüllenden Medium (94) der zu messenden Temperatur (T) umgeben ist und daß die Brechungsindizes (n _K , n _M ) des Kerns (92) bzw. des Mantels (93) einen definierten, unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten aufweisen.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe eine Kraft (F) oder eine Strecke (s) ist, und daß der Meßkörper (101) als dünner, langgestreckter Körper ausgebildet, als Biegebalken angeordnet und von der Kraft (F) einen Weg (s) auslenkbar ist.