DE4001954C2 - - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
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Description
Die Erfindung betrifft einen Distanzsensor zur Erfas
sung einer Distanz, mit einer Lichtquelle, einem Licht
leiter mit Kern und Mantel, dessen Endfläche die Sende- und Empfangsoptik
bildet, und einem Photodetektor.
Bei einer solchen aus der US 46 31 401 bekannten Anordnung
wird das Licht der Lichtquelle in einen Lichtleiter
eingebracht, durch diesen transportiert, auf ein
Objekt aufgestrahlt, von diesem reflektiert, von dem
Lichtleiter wieder aufgefangen, transportiert, und am
Ende von einem Photodetektor aufgefangen, der das reflektierte
Licht sodann in ein elektrisches Signal umsetzt,
wobei die Intensität des von dem Photodetektor
aufgefangenen Lichts ein Maß für die Distanz zwischen
der Endfläche des Lichtleiters zu dem Objekt ist.
Üblicherweise wird das Verhalten einer solchen Anord
nung in einem Kennliniendiagramm verdeutlicht. Dabei
wird auf der einen Achse die tatsächliche Entfernung d,
und auf der anderen die empfangene Intensität P aufge
tragen. Der Kurvenverlauf wird durch physikalische Pa
rameter des Lichtleiters, wie Brechnungsindex, Bre
chungsindexprofil, Kerndurchmesser und numerische Aper
tur bestimmt.
Dabei besteht das Problem, das man eine genügende Ge
nauigkeit der Distanzbestimmung nur dann erreicht, wenn
man den Distanzsensor in dem steilen Teil der Kennlinie
benutzt, da dort eine relativ geringe Entfernungsänderung
eine relativ große Intensitätsänderung zur Folge hat.
Bei einem Lichtleiter, der eine genügende Menge Licht
zur einfachen Detektion transportiert, der einfach
herzustellen ist und in der Handhabung nicht zu proble
matisch ist (z. B. weil er zu dünn ist), war man also
gleichzeitig auf einen bestimmten Entfernungsbereich
festgelegt.
Dies war bisher bei typischen Lichtleiterdurchmessern
von 140 µm ein Bereich von ca. 200-300 µm.
Wenn man einen anderen Entfernungsbereich mit einer ho
hen Auflösung, also mit sehr großer Genauigkeit erfas
sen möchte, muß man die optischen Verhältnisse an der
Endfläche des Lichtleiters so ändern, daß die Kennlinie
im gewünschten Entfernungsbereich steiler wird. Bisher
wurde dazu die Optik am Lichtleiterende mit Hilfe der
Vorschaltung von Blenden und Linsen verbessert. Dies
machte den Distanzsensor jedoch deutlich größer, er
schütterungsempfindlich und wesentlich teuerer.
Aus der DE 35 24 927 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung
von Lichtleitern mit sich kontinuierlich verjüngendem
Ende bekannt. Ein Hinweis auf den Einfluß dieser
Ausgestaltung auf die numerische Apertur und damit die
besondere Eignung zur Distanzmessung gibt diese Druckschrift
jedoch nicht.
Allgemeine Betrachtungen zur Kennlinie von faseroptischen
Abstandssensoren sind der DE-OS 22 08 089 zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten
Distanzsensor derart weiterzubilden, daß er ohne die
Vorsehung von Blenden oder Linsen auch zur Messung sehr
geringer Entfernungen mit großer Genauigkeit geeignet
ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
der Lichtleiter im Bereich der Endfläche sich zu dieser
hin kontinuierlich verjüngend ausgebildet ist, wobei
das Verhältnis zwischen Kern- und Mantelquerschnitt im
Bereich der Verjüngung derjenigen im übrigen Bereich
entspricht.
Durch eine geeignete Ausbildung der Spitze des Licht
leiters bezüglich Form, Länge und Endflächendurchmesser
läßt sich eine deutliche Steigerung der Empfindlichkeit
erzielen. Außerdem erlaubt die Ausbildung der Spitze
eine weitere Anpassungen an das Meßproblem.
Die Funktionsweise der Spitze beruht darauf, daß sich
beim Schmelz- und Ziehvorgang durch Veränderung des
Lichtleiterdurchmessers und durch Veränderung des
Brechungsindex-Gefüges eine Erhöhung der numerischen
Apertur des Lichtleiters in diesem Bereich ergibt, wo
durch der Öffnungskegel des aus dem Lichtleiter austre
tenden Lichts größer wird. Dies erhöht die Steilheit
der Kennlinie bei kleineren Meßdistanzen.
Eine solche Spitze wird typischerweise durch Anschmel
zen mit nachfolgendem Ziehen hergestellt. Die Endfläche
kann entweder durch Brechen oder durch Schleifen und
Polieren erzeugt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Distanzsensor, wie er dem Stand der
Technik entspricht,
Fig. 2 eine typische Kennlinie, wie sie bei allen
Sensoren dieser Art erzielt wird, und
Fig. 3 eine Teilansicht des Lichtleiters mit einer
kontinuierlichen Verjüngung im Bereich sei
ner Endfläche.
In Fig. 1 wird ein dem Stand der Technik entsprechender
Distanzsensor dargestellt. Eine Lichtquelle 1 bringt
Licht in den Lichtleiter 3 ein, das dann von diesem
durch den Lichtleiterkoppler 2 an die Endfläche 6
transportiert wird. Dort verläßt das Licht den Licht
leiter 3 und wird bei diesen Distanzsensoren, die dem
Stand der Technik entsprechen, mit einem relativ engen
Öffnungskegel, also nur relativ wenig divergierend, ab
gestrahlt. Bestimmungsgemäß trifft das Licht dann auf
einen reflektierendes Objekt 4, wird von diesem reflek
tiert und erreicht zu einem Teil wieder die Endfläche 6
des Lichtleiters. Dort tritt das Licht wieder in den
Lichtleiter 3 ein, wird von diesem transportiert und
trifft auf den Photodetektor 5 auf. Dort wird es in ein
elektrisches Signal umgewandelt, was direkt proportio
nal zur Intensität des aufgefangenen Lichts und damit
indirekt proportional zur Meßdistanz ist.
Fig. 2 zeigt eine typisches Kennliniendiagramm. Auf der
x-Achse ist die Distanz d aufgetragen und auf der
y-Achse die Intensität des aufgefangenen Lichts P. Der
Bereich zwischen den Distanzwerten a und b ist gestri
chelt wiedergegeben. Er stellt den Bereich steiler
Kennlinie dar, der günstigerweise für die Distanzmes
sung verwendet wird.
Fig. 3 stellt den Lichtleiter 3 im Bereich der Endflä
che 6 des Lichtleiters 3 dar. Der Lichtleiter 3 ist in
diesem Bereich zu einer Verjüngung 7 ausgebildet, die
mit einer wesentlich kleineren Endfläche 6 als herkömm
liche Sensoren dieser Art abschließt. Der Durchmesser
dieser Endfäche 6 beträgt typischerweise nur 20-30 µm,
bei unverändertem Durchmesser des Lichtleiters 3 im
restlichen Teil von typischerweise 140 µm. Dies erlaubt
einen nutzbaren Meßbereich von 10-20 µm. Die Länge
der Verjüngung 7 beträgt typischerweise einige Licht
leiterdurchmesser.
Gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Lichtleiter wird
bei dem in Fig. 3 das Licht nicht im wesentliche parallel,
sondern wegen der durch das veränderte Brechungsindex
Gefüge geänderten numerischen Apertur des Lichtleiters
3 in diesem Bereich mit einem wesentlich größeren Öff
nungskegel aus der Endfläche 6, also mit größerer Di
vergenz, austreten, um dann von dem Objekt 4 reflektiert
zu werden und wie in Fig. 1 zum Photodetektor 5 gelei
tet zu werden.
Claims (1)
- Distanzsensor mit einer Lichtquelle (1), einem Lichtleiter (3) mit Kern und Mantel, dessen Endfläche (6) die Sende- und Empfangsoptik bildet, und einem Photodetektor (5) dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (3) im Bereich der Endfläche (6) sich zu dieser hin kontinuierlich verjüngend ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen Kern- und Mantelquerschnitt im Bereich der Verjüngung (7) demjenigen im übrigen Bereich entspricht.
Priority Applications (1)
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DE19904001954 DE4001954A1 (de) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | Distanzsensor |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19904001954 DE4001954A1 (de) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | Distanzsensor |
Publications (2)
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DE4001954A1 DE4001954A1 (de) | 1991-07-25 |
DE4001954C2 true DE4001954C2 (de) | 1992-12-24 |
Family
ID=6398643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904001954 Granted DE4001954A1 (de) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | Distanzsensor |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4001954A1 (de) |
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1990
- 1990-01-24 DE DE19904001954 patent/DE4001954A1/de active Granted
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Also Published As
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---|---|
DE4001954A1 (de) | 1991-07-25 |
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