DE4201890A1

DE4201890A1 - Faseroptischer sensor

Info

Publication number: DE4201890A1
Application number: DE19924201890
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Karguth; Olaf Dipl Ing Mollenhauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1992-01-24
Publication date: 1993-07-29

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor, mit dem sowohl Abstände als auch Neigungen von Körperflächen ermittelt werden können. Er ist zu vielfältigen Aufgaben bei der Lagebestimmung in allen Zweigen der Meßtechnik einsetzbar.

Nach dem Stand der Technik sind faseroptische Sensoren zur Abstandsmessung bekannt.

Nach DE-OS 36 19 923 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung von Feinverschiebungen bekannt, bei dem Lichtwellenleiter verwendet werden. Dabei sind die einen Enden eines ersten und eines zweiten Lichtwellenleiters dicht benachbert gegeneinander ausgerichtet. In einer Distanz, die die Meßgröße darstellt, befindet sich ein Reflektor. Eine Lichtquelle strahlt Licht in die andere Endfläche des ersten Lichtwellenleiters ein, der dieses Licht zu ihrer einen Endfläche leitet und auf den Reflektor richtet. Die Empfangslichtwellenleiter sind in unterschiedlichen Entfernungen angeordnet, so daß sich ein Referenzsignal und ein Meßsignal ergeben, aus denen die Verschiebung des Meßobjektes bestimmt werden kann.

Nach EP 02 63 016 sind ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, wobei mit drei optischen Fasern, von denen eine als Sender und zwei als Empfänger verwendet werden, optische Signale zur Abstandsmessung ausgewertet werden Signalverarbeitung für die Abstandsermittlung erforderliche Referenzsignal wird dabei durch unterschiedliche Faseraperturen erzeugt.

Diesen Meßmethoden haftet der Nachteil an, daß durch verschiedene Fehlereinflüsse Meßfehler auftreten, die eine geringere Meßgenauigkeit bewirken. Solche Fehlereinflüsse sind beispielsweise:

- Reflexionsgradunterschiede durch unterschiedliche Meßflächen.
- Fehler, die sich durch die Verwendung unterschiedlicher Empfangsfasern infolge der abweichenden optischen Eigenschaften bei Temperaturunterschieden ergeben.
- Verschiebung des Akzfaeptanzwinkels durch die Neigung der Empfangsfasern gegeneinander. Damit erhalten die Empfänger unterschiedliche Anteile des ausgesendeten Strahlungsbündels, was bei der Anwendung ein "Einmessen" einer definierten Meßfläche erforderlich macht.

Der eindimensionale Aufbau dieser Anordnung erfordert für jedes Meßobjekt eine vorherige Kalibrierung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Sensor zu schaffen, der es ermöglicht, sowohl Abstände als auch Neigungen eines Meßobjektes zu erfassen und bei dem keine Kalibrierung vor der Messung erforderlich ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben Merkmalen. Die erfindungsgemäße Anordnung verwendet eine Mehrfachanordnung, bei der mehrere Dreifachanordnungen vereinigt sind. Damit stehen mehrere Meßsignale für die zu erfassenden Meßgrößen in einem Sensor zur Verfügung.

Bei der Meßwertauswertung können beispielsweise durch Mittelwertbildung oder durch die Anwendung der Umschlagmethode neue Meßaufgaben, oder eine Fehlerkompensation erreicht werden.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erleutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgem Sensors

Fig. 2 ein Anordnungsbeispiel der Sende- und Empfangslichtwellenleiter

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Sendelichtwellenleiter 1 mit den Sendebauelement 4 gekoppelt, während die Empfangslichtwellenleiter 2 und 3 jeweils mit Empfangsbauelementen 5 gekoppelt sind. Die Sende- bzw. Empfangslichtwellenleiter sind mittels elektrischer Leitungen 7 mit der Auswerteinrichtung 6 verbunden.

Fig. 2 zeigt im dargestellten Beispiel die paarweise Anordnung der Empfangslichtwellenleiter 2 und 3, wobei die mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Empfangslicht wellenleiter jeweils im gleichen Abstand, die verschiedenen Paare jedoch im unterschiedlichen Abstand vom Sendelichtleiter 1 angeordnet sind. Im dargestellten Fall sind die zu einem Paar gehörenden Empfangslichtwellenleiter jeweils um 180 Grad versetzt, um den Sendelichtwellenleiter angebracht.

Die von dem Empfangslichtwellenleiter bereitgestellten Signale werden durch verschiedene Größen beeinflußt. Hierzu gehören:

- der Abstand der Lichtaustrittsflächen der Lichtwellenleiter zur Meßoberfläche,
- die Neigung der Meßoberfläche gegenüber der Sensoranordnung,
- die Reflektionseigenschaften der Meßoberfläche, wie Oberflächenstruktur, Farbe, und Reflektionsgrad,
- die Intensität und die Wellenlänge des vom Sendebauelement abgegebenen Signals,
- die Eigenschaft des Umgebungslichtes und deren Schwankungen,
- die Temperatur,
- die geometrisch-optischen Eigenschaften der Empfangslicht wellenleiter, wie Dämpfung, Apretur bzw. Öffnungswinkel sowie deren Temperatur- und Langzeitstabilität.

Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Anordnungen bewirken alle diese Einflüsse eine Veränderung des Meßwertes und damit eine Verfälschung des Meßergebnisses. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung gelingt die weitgehende Ausschaltung von derartigen unerwünschten Einflüssen durch die paarweise Anordnung und den indentischen Aufbau der Empfangskanäle.

Die zur Kompensation der Fehlereinflüsse erforderlichen Referenzsignale werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Art der Verknüpfung der Einzelsignale in den Empfangszweigen gewonnen.

Um die Neigung und den Abstand der Meßfläche zu ermitteln, werden mindestens drei fehlerbereinigte Signale benötigt. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es aufgrund der oben geschilderten Merkmale sechs derartige Signale zu ermitteln.

Je nach vorliegender Meßaufgabe können diese Signale benutzt werden, um unterschiedliche - jeweils störende - Fehlerquellen zu kompensieren. Prinzipiell können damit alle der obengenannten Einflußmöglichkeiten kompensiert werden. Im dargestellten Beispiel der Messung von Neigung und Abstand wird die erfindungsgemäße Anordnung zur Kompensation von Oberflächenstrukturen, Farbunterschieden und Reflexionsgrad unterschieden verwendet.

Claims

1. Faseroptischer Sensor zur Lageerkennung von Objekten mit mindestens einem Sendelichtwellenleiter (1) und mehreren Empfangslichtwellenleitern (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens drei Empfangslichtwellenleiter (2, 3) paarweise verwendet werden,
- der Sendelichtwellenleiter (1) und die Empfangslicht wellenleiter (2, 3) parallel ausgerichtet sind und
- die Empfangslichtwellenleiter (2, 3) radial symmetrisch um den Sendelichtwellenleiter (1) verteilt angeordnet sind.

2. Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangslichtwellenleiter (2, 3) jeweils paarweise im gleichen radialen Abstand vom Sendelichtwellenleiter (1) angeordnet sind.