DE3733549A1

DE3733549A1 - Faseroptischer sensor

Info

Publication number: DE3733549A1
Application number: DE19873733549
Authority: DE
Inventors: Peter P Dr Deimel; Helmut Dr Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-10-03
Filing date: 1987-10-03
Publication date: 1989-04-20
Also published as: JPH01102316A; DE3733549C2; US4848871A

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zur Erfassung mechanischer Größen mit einer ersten Lichtleitfaser, welche an einem Ende mit einer elektrischen Lichtquelle verbunden ist, sowie einer zweiten Lichtleitfaser, welche zumindest einen Teil des aus der ersten Lichtleitfaser austretenden Lichtes empfängt und einem Photoelement zuführt und wobei mindestens eine der Lichtleitfasern durch eine mechanische Größe relativ zur anderen Lichtleitfaser bewegbar ist.

Ein faseroptischer Sensor der obengenannten Art ist aus der DE-OS 32 30 615 bekannt. Dieser Sensor besteht aus einer elastischen lichtleitenden Faser, welche einseitig fest eingespannt ist und deren freies Ende infolge Krafteinwirkung oder Wegaufprägung ausgelenkt wird. Das aus diesem Lichtleiter austretende Licht wird auf einen oder mehrere Stirnflächen weiterer Lichtleiter gerichtet, der bzw. die mit einem Photosensor verbunden sind. Je nach Auslenkungsrichtung und Größe variiert dann das von dem bzw. den Lichtleitern empfangene Licht und wird in entsprechende elektrische Signale umgewandelt. Die vorgenannte Einrichtung ist schwierig zu justieren, da das freie Ende der beweglichen Lichtleitfaser senkrecht zu den Stirnflächen der Lichtleitfasern bewegt werden muß und somit schon geringe Verdrehungen des Sensors oder einseitige Temperaturbelastungen zu einer Verlagerung der Lichtleitfaser führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Sensor der obengenannten Art zu schaffen, der die obengenannten Nachteile nicht aufweist, jedoch auf geringste Veränderungen der Meßgröße empfindlich reagiert.

Diese Aufgabe wird durch einen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten faseroptischen Sensor gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a einen faseroptischen Wegsensor mit in gleicher Richtung angeordneten Lichtleitfasern;

Fig. 1b die Spitze der Lichtleitfasern eines Wegsensors gemäß Fig. 1a im Ruhezustand;

Fig. 1c die Spitze der Lichtleitfasern eines Wegsensors gemäß Fig. 1a bei seitlicher Auslenkung und

Fig. 2 einen optischen Wegsensor mit gegeneinander gerichteten Lichtleitfasern.

Bei dem in Fig. 1a dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Lichtleitfasern 1 und 2 parallel nebeneinander angeordnet und in dieser Position durch eine Halterung 3 fixiert. Die Halterung 3 besteht aus monokristallinem Silizium, in welches zwei parallele V-förmige Längsnuten 4 und 5 durch einen anisotropen Ätzprozeß herausgearbeitet wurden. Über die spezielle Formgebung von Ätznuten in monokristallinem Material wird beispielsweise in "Spektrum der Wissenschaft", Juni 1983 berichtet, wobei eine Auswahl der verschiedenen Ätzgruben in Abhängigkeit von der Kristallorientierung der Oberflächen auf S. 41, Bild 4 dargestellt ist. Die Lichtleitfasern 1 und 2 sind in den Längsnuten 4 und 5 beispielsweise durch einen Klebstoff oder durch Klemmung mittels einer zweiten spiegelsymmetrischen Anordnung mit gleichen Längsnuten festgehalten. Die Stirnflächen 1.1 und 2.1 der Lichtleitfasern 1 und 2 sind mit einer elektrischen Lichtquelle 6 bzw. mit einem optoelektrischen Empfänger 7 verbunden. Die jeweils anderen Stirnflächen 1.2 und 2.2 der beiden Lichtleitfasern 1 und 2 sind gegenüber der Faserlängsachse um 45° angeschliffen und verspiegelt. Die 45°-Stirnflächen 1.2 und 2.2 sind nach Art eines 90°-Dachkantenprismas zueinander angeordnet, so daß Licht aus der Lichtleitfaser 1 über die Innenseite der Spiegelschicht 1.2 unter einem Winkel von 90° aus der Lichtleitfaser 1 austreten kann und auf die gegenüberliegende Fläche 2.2 der Lichtleitfaser 2 gerichtet wird. Das so in die Lichtleitfaser 2 eingekoppelte Licht gelangt dann auf den optoelektrischen Empfänger 7 (s. Fig. 1b).

Die Lichtleitfasern 1 und 2 sind im Bereich der 45°-Stirnflächen durch ein Joch B mit zwei entsprechend angeordneten Bohrungen, durch die die Lichtleitfasern 1 und 2 hindurchgeführt werden, miteinander verbunden. Mindestens eine der beiden Lichtleitfasern ist dabei innerhalb der zugehörigen Bohrung im Joch 8 längsverschiebbar. Wird nun das Joch 8 durch eine mechanische Größe senkrecht zur Achse der Lichtleitfasern und parallel zur Zeichenebene bewegt, so werden beide Lichtleitfasern im Bereich zwischen der Halterung 3 und dem Joch 8 gekrümmt, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien ein Versatz der beiden Stirnflächen 1.2 und 2.2 ergibt (siehe Fig. lc). Je nach Größe dieses Versatzes verändert sich die Lichtmenge des in die Lichtleitfaser 2 eingekoppelten Lichtes. Entsprechend verändert sich das Ausgangssignal des optoelektrischen Empfängers 7.

Zur Erhöhung der mechanischen Dämpfung dieses faseroptischen Sensors, können die Lichtleitfasern im Bereich der Halterung 3 und der Stirnflächen 1.2 und 2.2 von einer Dämpfungsmasse, wie Silikongummi umgeben sein.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Lichtleitfasern 11 und 12 mit verspiegelten 45°-Stirnflächen 11.2 und 12.2 in einer Halterung 13 derart angeordnet, daß diese Stirnflächen die Seitenflächen eines Prismas mit parallelen Ebenen bilden. Bei entsprechender Ausrichtung der Lichtleitfasern 11 und 12 wird dann Licht von der Lichtleitfaser 11 seitlich in die Lichtleitfaser 12 eingekoppelt und gelangt dort analog zu Fig. 1a auf einen optoelektrischen Empfänger.

Die Halterung 13 besteht aus zwei gleichen Teilen 13.1 und 13.2, in denen jeweils eine V-förmige Längsnut 14 bzw. 15 durch einen anisotropen Ätzvorgang eingearbeitet sind. Zumindest eine der Lichtleitfasern 11 und 12 sind in diesen V-förmigen Längsnuten längsverschiebbar, wobei diese Längsverschiebung durch eine mechanische Größe beeinflußt wird. Da hier die relative Verschiebung der Stirnflächen 11.2 und 12.2 in Richtung der Faserachsen direkt proportional zur Bewegung der Lichtleitfaser ist, ist diese Anordnung noch empfindlicher als diejenige gemäß Fig. la, bei der der Versatz der 45°-Stirnflächen bei Auslenkungen des Jochs 8 um die Ru helage relativ klein ist und erst mit zunehmenden Auslenkungen progres siv anwächst.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsen sors sind einer Lichtleitfaser 20 mit einer verspiegelten 45°-Stirnflä che, welche mit einer nicht dargestellten Lichtquelle verbunden ist, nunmehr mehrere Lichtleitfasern 21, 22 und 23 mit verspiegelten 45°-Stirnflächen, analog zu Fig. 2, derart gegenübergestellt, daß, ab hängig vom jeweiligen Drehwinkel der Lichtleitfaser 20, Licht in eine der Lichtleitfasern 21, 22 oder 23 übertreten kann. Die Lichtleitfasern 21 und 22 sind dabei in Bezug auf die Faserachse der Lichtleitfaser 20 exakt gegenüberliegend angeordnet, wo hingegen die Lichtleitfaser 23 um einen Drehwinkel von 90° versetzt zu den Lichtleitfasern 21 und 22 ange ordnet ist. Zur Vermeidung von axialen Verschiebungen der Lichtleitfaser 20 ist diese mit einem Drehlager 24 versehen, welches in einem Gehäuse 26 gehalten bzw. geführt wird. Die einzelnen Lichtleitfasern sind dann analog zu den vorhergenannten Ausführungsbeispielen ebenfalls in V-för migen Nuten der beiden spiegelsymmetrischen Gehäuseteile 25.1 und 25.2 festgehalten bzw. geführt.

Bei Verwendung nur einer lichtabführenden Faser 21, 22 oder 23 können Drehbewegungen der Lichtleitfaser 20 im Bereich von ± 90° von der Position maximaler übergekoppelter Lichtintensität gemessen werden. Der Drehwinkelbereich erhöht sich durch die Verwendung zweier gegenüberlie gender Lichtleitfasern 21 und 22 auf ± 180° wobei unter Verwendung der dritten Lichtleitfaser 23 auch noch der Drehsinn ermittelt werden kann.

Claims

1. Faseroptischer Sensor zur Erfassung mechanischer Größen mit einer ersten Lichtleitfaser, welche an einem Ende mit einer elektrischen Lichtquelle verbunden ist, sowie einer zweiten Lichtleitfaser, welche zumindest einen Teil des aus der ersten Lichtleitfaser austretenden Lichtes empfängt und einem Photoelement zuführt und wobei mindestens eine der Lichtleitfasern durch eine mechanische Größe relativ zur anderen Lichtleitfaser bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils freie Ende der ersten und zweiten Lichtleitfaser (1, 2; 11, 12) eine um 45° zur Faserachse angeschliffene und verspiegelte Stirnfläche (1.2, 2.2; 11.2, 12.2) aufweist, daß die Lichtleitfasern (1, 2; 11, 12) parallel zueinander angeordnet sind, derart, daß sich die beiden verspiegelten Stirnflächen (1.2. 2.2; 11.2, 12.2) auf gleicher Höhe eng benachbart gegenüberstehen und, daß die mechanische Größe eine Verschiebung zumindest einer Stirnfläche (1.2, 2.2; 11.2, 12.2) in Richtung der Faserachse oder eine Verdrehung zumindest einer Stirnfläche um die Faserachse bewirkt.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (1, 2; 11, 12) in je einer in ein monokristallines Substrat (3; 13.1, 13.2) eingeätzten V-förmigen Längsnut (4, 5; 14, 15) angeordnet sind.

3. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lichtleitfasern (11, 12) innerhalb der V-förmigen Längsnut (14, 15) in Richtung der Faserachse verschiebbar ist.

4. Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (1, 2) mit den freien Enden in gleicher Richtung angeordnet sind, wobei die Enden durch eine Führung (8) mit zwei Bohrungen, innerhalb derer die Lichtleitfasern verschiebbar sind, in konstantem parallelen Abstand gehalten werden und, daß die Führung (8) durch die mechanische Größe senkrecht zur Faserachse verschiebbar ist.