DE69006689T2 - Schwingender Sensor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, genauer einen optisch getriebenen Mikroschwingungssensor.
• Die GB-PS-2185106A offenbart ein Element mit einer von der Art einer angewendeten Kraft abhängigen Resonanzfrequenz, einer Lichtquelle, die so angebracht ist, daß sie Licht auf das Element richtet, um dieses in Schwingungen zu versetzen, wobei ein Teil des Lichts von dem Element reflektiert wird, und einer Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz. Das Sensorelement ist ein dünnes, balkenförmiges Element aus einem starren Material, das so angebracht ist, daß es aufgrund eines senkrecht auf seine Außenfläche fallenden Lichtstrahls relativ zu seiner Halterung schwingt. Die Außenfläche des balkenförmigen Elements verfügt über eine lichtreflektierende Beschichtung, die etwa den halben Bereich des auffallenden Lichtstrahls auffängt, der durch eine Linse auf einen Lichtfleck fokussiert wird, der seinerseits an einer Stelle auftrifft, die von der Balkenmittelachse versetzt ist. Der übrige Teil der von dem fokussierten Lichtstrahl beleuchteten Oberfläche des balkenförmigen Elements ist mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet, das den größten Teil des auffallenden Lichts absorbiert.
• Im Betrieb wird das lichtabsorbierende Material von dem fokussierten Lichtfleck erwärmt, wodurch Wärme zu dem darunter vorgesehenen Material geleitet wird, aus dem das balkenförmige Element besteht. Die daraus resultierende lokale Wärmeausdehnung bewirkt eine Biegung des balkenförmigen Elements, wodurch dem Lichtstrahl ein kleinerer Bereich des lichtabsorbierenden Materials ausgesetzt und somit die Erwärmung verringert wird. Dadurch kühlt das balkenförmige Element ab und kehrt in seine ursprüngliche Stellung zurück, wodurch der Zyklus von vorne beginnt. Die Schwingung des balkenförmigen Elements kann selbstunterhaltend werden. Durch Messen dem während der Schwingung von dem balkenförmigen Element reflektierten Lichts kann die Schwingungsfrequenz bestimmt werden. Der Sensor kann durch Anderungen des ausgewählten Parameters zur Änderung der Schwingungsfrequenz als Kraft-, Druck- oder Temperatursensor eingesetzt werden.
• Ein Nachteil des beschriebenen Sensors aus dieser Patentschrift nach dem bekannten Stand der Technik ist seine Schwingrichtung, die nicht um die günstigste Bewegungsachse erfolgt und daher beim Koppeln von Energie an diesen Schwingungsmodus ineffektiv ist. Dies ist sowohl auf die Ausführung der Beschichtung des balkenförmigen Elements als auch auf den zu der flachen Oberfläche des balkenförmigen Elements senkrechten Einfallwinkel des Lichtstrahls zurückzuführen. Die Verwendung von Silizium oder Quarz aus der Micro-Materialbearbeitung zur Sicherung der Vorteile der Massenproduktion und der Materialkombinierung schafft ein grundsätzliches Problem beim Erreichen der für die Erfassung der Schwingung der Struktur erforderlichen Bewegungsrichtung.
• Die GB-PS-A-2146120 offenbart ein Sensorelement mit einem schwingenden Teil, das von einer ersten gepulsten Lichtquelle, die das Licht senkrecht auf das schwingende Teil richtet, erregt wird. Eine zweite, nicht stimulierende Lichtquelle richtet kontinuierliches Licht in einem Winkel zu der Senkrechten auf das stimulierte schwingende Teil, und das kontinuierliche, durch seine Reflexion von dem schwingenden Teil modulierte Licht wird erfaßt, um die Größe der auf den Sensor angewandten Kraft zu bestimmen.
• In der PS-EP-A-0090167 ist ein Sensorelement in der Form eines Schwingdrahts offenbart, das von einer gepulsten Lichtquelle in Schwingungen versetzt wird, die in dem in einem magnetischen Feld vorgesehenen Draht elektrischen Strom erzeugt. Kontinuierliches, nicht stimulierendes Licht wird senkrecht auf den Draht gerichtet, der dadurch ein moduliertes Lichtsignal reflektiert, das zur Bestimmung einer Verarbeitungsbedingung erfaßt wird.
• Die gleichzeitig anhängige europäische Patentanmeldung Nr. 0381309A des Anmelders offenbart ein balkenförmiges schwingendes Sensorelement ähnlicher Beschaffenheit wie das Sensorelement der vorliegenden Erfindung. In der gleichzeitig anhängigen Anmeldung ist für den Sensor jedoch eine gepulste Treiberlichtquelle erforderlich, die senkrecht auf das balkenförmige Element angewendet wird. Zum Folgen der Treiberlichtquelle mit einer Resonanzfrequenz ist Steuerelektronik erforderlich. Daher unterscheiden sich Treiber- und Sensorenanordnung vollständig von denen des Sensors der vorliegenden Erfindung.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zu schaffen, durch den die oben beschriebenen Nachteile des bekannten Stands der Technik überwunden werden.
• Erfindungsgemäß wird ein Sensor mit einem Element mit einer von der Art einer angewendeten Kraft abhängigen Resonanzfrequenz, einer Lichtquelle, die so angebracht ist, daß sie Licht auf dieses Element richtet, um es in Schwingungen zu versetzen, wobei ein Teil des Lichts von dem Element reflektiert wird, und einer Vorrichtung zur Bestimmung der daraus resultierenden Resonanzfrequenz geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in nicht schwingendem Zustand über eine flache Oberfläche mit mindestens drei parallelen Normalen verfügt, wobei diese Normalen in mindestens zwei verschiedenen Ebenen liegen, und daß das Licht so beschaffen ist, daß es mit einem Auftreffwinkel, der in bezug auf die Normale hier flachen Oberfläche nicht Null ist, auf die flache Obefläche des Elements gerichtet wird, so daß die Menge des von dem Element reflektierten Lichts von seiner Schwingungsverschiebung bei einer Resonanzfrequenz abhängt.
• Im hier verwendeten Sinne umfaßt der Begriff "Licht" den elektromagnetischen Strahlungsbereich von ultraviolettem Licht bis zu Infrarotlicht.
• Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
• Figur 1 ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Sensors ist, das eine auf ein Element gerichtete Lichtquelle zeigt,
• Figur 2 wie Figur 1 ein schematisches Diagramm ist, das die Lichtreflexion durch das Element in zwei alternativen Stellungen zeigt,
• Figur 3 zeigt, wie bei der Bewegung des Elements zwischen seinen alternativen Stellungen aus Figur 2 eine seitliche Verschiebung zwischen dem einfallenden Licht und dem Element auftritt,
• Figur 4 ein Graph ist, der die Stärke des reflektierten Lichts in Relation zur Vertikalverschiebung des Elements für zwei verschiedene Einfallwinkel der Lichtquelle zeigt und
• Figur 5 eine alternative Ausführung der Erfindung zeigt, in der zum Zuführen des einfallenden Lichts und zum Erfassen des reflektierten Lichts Lichtleitfasern verwendet werden und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Sensors durch Ablesen des einfallenden bzw. des reflektierten Lichts vorgesehen ist.
• Ein erfindungsgemäßer Sensor verfügt über ein Schwingelement, das Teil einer Sensorvorrichtung bildet, und dieses Element hat eine von der Art der auf diese Vorrichtung angewendeten Kraft abhängige Resonanzfrequenz. Typischerweise könnte es sich bei der angewendeten Kraft um eine allgemein längs zu dem Schwingelement wirkende Spannungskraft handeln. Die Sensorvorrichtung könnte jedoch beispielsweise als Druck- oder Temperatursensor ausgebildet werden, wobei die Resonanzfrequenz von dem bzw. der auf die Sensorvorrichtung einwirkenden Druck bzw. Temperatur abhinge.
• Figur 5 enthält eine vergrößerte Teilansicht, die eine typische Sensorvorrichtung 10 eines erfiniungsgemäßen Sensors zeigt. Die Vorrichtung 10 verfügt über einen im allgemeinen quadratischen oder rechteckigen Rahmen, wobei zwischen zwei von dessen gegenüberliegenden Seiten ein brücken-, messerschneiden- oder balkenförmiges Element 11 vorgesehen ist. Diese Brücke 11 kann in Schwingungen versetzt werden, indem ein Lichtstrahl darauf gerichtet wird. Die gesamte obere Oberfläche der Brücke ist zur Verbesserung der auf ihr vorgesehenen Umwandlung der Lichtenergie in Wärme mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen oberer und unterer Oberfläche der Brücke induziert eine Biegebewegung, die eine Biegung der Brücke bewirkt. Die anschließende Abkühlung und Wiedererwärmung versetzt die Brücke in Schwingungen. Die Schwingung erfolgt senkrecht zu der Ebene des Rahmens, d.h. in der Richtung des geringsten mechanischen Widerstands der Brücke 11. Die Resonanzfrequenz der Brücke ändert sich wie von den Pfeilen A angedeutet in Übereinstimmung mit der auf die Sensorvorrichtung einwirkenden Beanspruchung. Dadurch können in geeignet gesteuerten Systemen durch Messen der Resonanzfrequenz sehr genaue Messungen erfolgen.
• Die Theorie des erfindungsgemäßen Sensors wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 erläutert.
• Figur 1 zeigt einen einfallenden kontinuierlichen Lichtstrahl 12, z.B. von einem Helium-Neon-Laser. Der Lichtstrahl wird durch eine Linse 13 fokussiert, um einen Gaußschen Strahlenverengungsbereich zu schaffen, in dem der Sensor 10 vorgesehen ist, wobei in Figur 1 aus Gründen der Deutlichkeit nur die Brücke 11 dargestellt ist. Es ist wichtig, festzuhalten, daß der Lichtstrahl in Relation zu einer Normalen 14 der Brücke 11 in einem Winkel einfällt, der nicht Null ist. In Figur 1 wird aus Gründen der Deutlichkeit auch die Darstellung der reflektierten Lichtstrahlen vermieden. In dieser ersten oder "Ruhestellung" der Brücke wird der gesamte bzw. der größte Teil des Lichtstrahls von der Brücke aufgefangen und durch die Linse zurückreflektiert, wie in Figur 2 gezeigt, wobei aus Gründen der Deutlichkeit nicht das gesamte Profil des einfallenden Lichtstrahls abgebildet ist. Die reflektierten Lichtstrahlen sind durch das Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Diese reflektierten Strahlen werden von einem (hier nicht dargestellten) Lichtintensitäts-Meßsystem erfaßt.
• Wenn die Brücke 11 Energie aus dem einfallenden Lichtstrahl absorbiert, bewegt sie sich aus der in Figur 2 in durchgezogenen Linien dargestellten Position in die in gestrichelten Linien dargestellte Position, wobei diese Schwingungsbewegung in der Richtung der Normalen 14 erfolgt. Durch die, Schrägstellung des Lichtstrahls zu der Normalen verringert sich der von der Brücke in ihrer zweiten Position aufgefangene Anteil des Lichtstrahls wie in Figur 2 dargestellt. Diese von der Brücke 11 reflektierte verringerte Lichtmenge passiert die Linse 13 und wird von dem Lichtintensitäts-Meßsystem erfaßt. Das System registriert somit eine aufgrund der Verschiebung der Brücke aus ihrer ersten in ihre zweite Position verringerte Lichtintensität, und die Resonanzfrequenz und die Schwingungsamplitude der Brücke können aus diesen Meßdaten bestimmt werden, während die Brücke frei zwischen den beiden Positionen schwingt, wobei sie eine Sinusschwingung erzeugt.
• Figur 3 veranschaullicht, wie die vertikale Schwingung Y der Brücke eine horizontale Bewegungskomponente X zwischen der Brücke und dem Lichtstrahl einleitet, wobei X = Y tan θ, wobei θ den Einfallwinkel der Lichtquelle darstellt. Im Betrieb arbeitet der Sensor tatsächlich teilweise in eingeschaltentem, teilweise in ausgeschaltetem Zustand, wobei ein Teil des Lichtstrahls von der Sensorbrücke entweder ganz reflektiert oder ganz verfehlt wird,
• Anstelle der Verringerung der reflektierten Lichtmenge, wenn sich die Brücke in ihre zweite Position bewegt, könnte das Lichtintensitäts-Meßsystem auch so ausgebildet werden, daß es mehr Licht empfängt, wenn sich die Brücke in Position 2 befindet, als wenn sie sich in Position 1 befindet.
• Figur 4 stellt graphisch dar, wie sich die Menge und damit die Stärke des reflektierten Lichts ändert wenn sich die Brücke aus ihrer "Ruhestellung" bzw. ersten Position bewegt. Wie hier für einen Einfallwinkel des Lichtstrahls von 2º zu der Normalen dargestellt, ergibt sich eine verhältnismäßig langsame, doch stetige Abnahme der Stärke des reilektierten Lichts, wenn sich die Brücke wegbewegt. Wird der Einfallwinkel auf 7º erhöht, erfolgt die Abnahme wesentlich schneller, selbst bevor die Bewegung 150 um erreicht hat, wodurch die oben angesprochene Funktionsweise des Sensors in teilweise ein-, teilweise ausgeschaltetem Zustand und damit seine Empfindlichkeit verdeutlicht werden. Es besteht Grund zu der Annahme, daß der minimale noch funktionsfähige Winkel 2º beträgt. Der maximal funktionsfähige Winkel dürfte bei 25º liegen. Der bevorzugte Arbeitsbereich reicht von 10º bis 15º.
• Figur 5 zeigt eine alternative Ausführung der Erfindung, in der ein Lichtintensitäts-Meßsystem 16 an eine kontinuierliche Lichtquelle 17, beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, und an eine das reflektierte Licht erfassende Diode 18 oder ähnliches angeschlossen ist. Das Licht wird durch eine Lichtleitfaser 19 mit einem Y-Koppler an einem ihrer Enden vom Sensor weg und zum Sensor hin geleitet. Die Figur zeigt die Schwingungsrichtung der Brücke entlang der Normalen 14, wie sie oben anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wurde.
• Die in Figur 5 dargestellte Struktur ist relativ klein. Die Brücke 11 könnte beispielsweise etwa 200 Mikrometer lang, 10 Mikrometer breit und 2 Mikrometer dick sein. Die Brücke ist daher mit Einmoden- und Mehrmoden- Lichtleitfasern wie der Faser 19 vergleichbar.
• Das an die Brücke anschließende Ende der Lichtleitfaser ist mittels einer Schmelzpresse zu einer Linse geformt, um das von ihr ausgestrahlte Licht zu einem gewissem Grad zu fokussieren, so daß ein kegelförmiger Lichtstrahl entsteht.
• Eine Anwendung der Erfindung ist die Messung kleiner Verschiebungen im Zusammenhang mit Mikroschwingkörperstrukturen. Das Mikroschwingkörperelement kann auch so angelegt sein, das es durch eine wie hier beschrieben angeordnete Lichtquelle in Eigenschwingungen versetzt wird.
• Im Vergleich zu den Ausführungen nach bekanntem Stand der Technik, auf die hierin Bezug genommen wurde, ist anzunehmen, daß ein erfindungsgemäßer Sensor mehrere Vorteile bietet. Erstens wird keine duale Beschichtungsstruktur, d.h. keine absorbierende/reflektierende Beschichtung verwendet, wodurch die Sensorvorrichtung 10 nicht nur einfacher, sondern auch billiger wird. Zweitens trifft der einfallende Lichtstrahl in einem nicht der Normale entsprechenden Einfallwinkel auf die Brücke auf, so daß sich das erfaßte Signal bei einer vertikalen Bewegung der Brücke aus dem Lichtstrahl heraus ändert, wobei die Bewegung in der Richtung des geringsten mechanischen Widerstands der Brücke erfolgt, wenn diese erregt ist, d.h. in einer zu ihrem geringsten Querschnitt senkrechten Ebene.
• Drittens arbeitet der Sensor so, daß der Lichtstrahl von der Brücke 11 entweder zum größten Teil aufgefangen oder zum größten Teil verfehlt wird. Die Modulationstiefe ist daher größer als bei einem vergleichbaren Sensorensystem, das vom Unterschied zwischen den von einem lichtreflektierenden und einem lichtabsorbierenden Bereich ausgehenden Signalen abhängt. Der Grund dafür ist, daß ein lichtabsorbierendes Material auch einen Teil des Lichts reflektiert und ein lichtreflektierendes Material auch einen Teil des Lichts absorbiert. Der Wirkungsgrad und der geringe Aufwand, um die Vorrichtung in Gang zu setzen, sind daher in Relation zu der Amplitude des erfaßten Signals bei dem erfindungsgemäßen Sensor wesentlich günstiger.
• Das System der vorliegenden Erfindung verwendet im Vergleich zu den Systemen nach dem bekannten Stand der Technik eine grundlegend andere Technik, indem es im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, der von absorbierenden/reflektierenden Systemen ausgeht, die teilweise Reflexion/Kreuzung eines Lichtstrahls verwendet. Die Erfindung kann als System bezeichnet werden, in dem der Lichtstrahl einen nicht senkrechten Einfallwinkel hat und das diffus reflektierende Komponenten auf der Oberfläche des Schwingkörpers verwendet. Außerdem stellt die Mehrmoden- Lichtleitfaser eine Lichtquelle mit Lichtstrahlen dar, die einen Bereich von Einfallwinkeln umfassen.
• Auch wenn dies kein kritischer Punkt ist, sollte die Linse nahe am Sensorglied ausgebildet sein, z.B. innerhalb einem Bereichs von 50 - 100 um. Obwohl ein Laser als Lichtquelle verwendet werden kann, kann auch eine normale Lichtquelle eingesetzt werden, auch wenn die Linse dann mit dem einfallenden Licht keinen perfekten Fleck auf der Brücke 11 erzeugen kann.
• Die Erfindung wird als besonders geeignet für Anwendungen betrachtet, bei denen sehr genaue Drucksensoren oder Beschleunigungsmesser in einer Umgebung mit Temperaturen über 200ºC erforderlich sind. Dieser Typ eines optischen Sensors ist nicht den Änderungen der elektrischen Eigenschaften unterworfen, die sich aus Hochtemperaturumgebungen ergeben können.

Claims (16)

1. Ein Sensor mit einem Element (11) mit einer von der Art einer darauf einwirkenden Kraft abhängigen Resonanzfrequenz, einer Lichtquelle (12), die so angebracht ist, daß sie Licht auf das Element richtet, um dieses in Schwingungen zu versetzen, wobei ein Teil des Lichts von dem Element reflektiert wird, und einer Vorrichtung (16) zur Bestimmung der resultierenden Resonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (11) in nicht schwingendem Zustand über eine flache Oberfläche mit mindestens drei parallelen Normalen verfügt, die in mindestens zwei verschiedenen Ebenen liegen, und daß das Licht so beschaffen ist, daß es in einem Einfallwinkel, der in bezug auf die Normale der flachen Oberfläche nicht Null ist, auf die flache Oberfläche des Elements gerichtet ist, so daß die Menge des von dem Element (11) reflektierten Lichts von seiner Schwingungsverschiebung bei einer Resonanzfrequenz abhängt.

2. Ein Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle (12) das Element (11) durch einen photothermischen Effekt, durch den sich das Element aufgrund einer während der Schwingung auftretenden Änderung der auf ihm auftreffenden Lichtmenge abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht, in Schwingungen mit einer Resonanzfrequenz versetzt.

3. Ein Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle (12) so beschaffen ist, daß sie Licht auf die flache Oberfläche des Elements richtet, wobei die gesamte flache Oberfläche aus demselben Material besteht.

4. Ein Sensor nach Anspruch 3, bei dem diese Oberfläche aus lichtabsorbierendem Material besteht.

5. Ein Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Element (11) eine an ihren Enden aufgehängte Brücke ist, die so beschaffen ist, daß sie in der Richtung ihres geringsten mechanischen Widerstands schwingt.

6. Ein Sensor nach Anspruch 5 mit einem Lichtintensitäts- Meßsystem (16), an das eine maximale Lichtmenge zurückgeleitet wird, wenn sich das Element (11) in seiner der Lichtquelle zunächst gelegenen Position befindet.

7. Ein Sensor nach Anspruch 6, bei dem die Lichtquelle mittels einer Linse an das Element (11) gekoppelt ist.

8. Ein Sensor nach Anspruch 6, bei dem das Lichtintensitäts- Meßsystem (16) mit der Lichtquelle (17) und einer Vorrichtung (18) zur Erfassung des reflektierten Lichts verbunden ist, wobei eine Lichtleitfaser an einem ihrer Enden einen Y-Koppler aufweist, dessen Zweige mit der Lichtquelle bzw. der Vorrichtung zur Erfassung des reflektierten Lichts verbunden sind.

9. Ein Sensor nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Einfallwinkel des Lichts mindestens 20 beträgt.

10. Ein Sensor nach einem der obigen Ansprüche bei dem die Lichtquelle kontinuierlich ist.

11. Ein Verfahren zur Betätigung eines Sensors, das das Richten von Licht von einer Lichtquelle (12) auf ein Element (11) mit einer von der Art der zur Erregung einer Schwingung des Elements auf dieses einwirkenden Kraft abhängigen Resonanzfrequenz, wobei ein Teil des Lichts von dem Element reflektiert wird, sowie die Bereitstellung einer Vorrichtung (16) zur Bestimmung der resultierenden Resonanzfrequenz umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in nicht schwingendem Zustand über eine flache Oberfläche mit mindestens drei parallelen Normalen verfügt, die in mindestens zwei verschiedenen Ebenen liegen, und daß das Licht in einem Einfallwinkel, der in bezug auf ihre Normale nicht Null ist, auf diese flache Oberfläche des Elements gerichtet wird, so dar die von dem Element (11) reflektierte Lichtmenge von seiner Schwingungsverschiebung bei einer Resonanzfrequenz abhängt.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Lichtquelle (12) das Element (11) mittels eines photothermischen Effekts, durch den es sich aufgrund einer Änderung der während der Schwingung auf es auftreffenden Lichtmenge abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht, in Schwingungen mit einer Resonanzfrequenz versetzt.

13. Ein Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das Element (11) eine an ihren Enden aufgehängte Brücke ist, die in der Richtung ihres geringsten mechanischen Widerstands schwingt.

14. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Licht auf das Element fokussiert wird.

15. Ein Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Licht mit einem Einfallwinkel von mindestens 2º auf das Element gerichtet ist.

16. Ein Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtquelle kontinuierlich ist.