DE3708145A1 - Optischer stellungsmesswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Stellungsmeßwand­ ler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Optische Stellungsmeßwandler weisen eine Lichtquelle und einen Empfänger auf, der üblicherweise am Ende eines Licht­ leitkabels angeordnet ist, wobei entsprechend der zu er­ fassenden bzw. zu messenden Stellung die beim Empfänger einfallende Strahlung verändert wird. Der Strahlungsein­ fall kann beispielsweise durch Verwendung einer beweg­ baren Maske verändert werden, die eine Lichtdurchtritts­ öffnung veränderbarer Größe aufweist. Es ist auch möglich, ein Strahlungsfilter zu verwenden, das über seine Filter­ ebene hinweg die Strahlung unterschiedlich stark dämpft und das zusammen mit demjenigen Teil, dessen Stellung zu messen ist, bewegt wird. Diese Meßwandler arbeiten zu­ friedenstellend, vorausgesetzt, daß die Strahlenintensi­ tät der beim Empfänger einfallenden Strahlung sich nicht aus sonstigen Gründen verändert. Wird die Strahlung der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung aus irgend­ welchen Gründen verändert, dann führt dies zu einer Fehl­ messung der zu erfassenden Stellung. Solche Änderungen können beispielsweise durch Schwankungen in der Stromver­ sorgung der Lichtquelle auftreten.

Der Effekt dieser Veränderungen in der Lichtintensität können vermindert werden, indem der Spektralinhalt der Strahlung entsprechend der zu erfassenden Stellung modu­ liert wird. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß es schwie­ rig ist, ein Ausgangssignal zu erhalten, das linear mit der zu erfassenden Stellung verläuft, da bei den Vorrich­ tungen die Spektralverteilung nicht linear ist und die Dekoder zum Messen der Spektralverteilung kein lineares Ansprechverhalten aufweisen.

Bei einem anderen Wandler wird das Licht in seine Spektral­ komponenten aufgeteilt und eine kodierte Maske wird inner­ halb des Spektrums bewegt, um zu ermöglichen, daß verschie­ dene Teile des Spektrums entsprechend der Stellung der Maske hindurchgelassen werden. Die durch die Maske hin­ durchgehende Strahlung wird am Ende eines Lichtleitkabels fokussiert und am anderen Ende des Kabels wieder aufgeteilt. Durch Messung der Strahlenintensität an verschiedenen Tei­ len des Spektrums ist es möglich, die Stellung der Maske zu bestimmen. Das Problem, das bei einem derartigen Wand­ ler auftritt, besteht darin, daß es schwierig ist sicher­ zustellen, daß die gesamte durch die Maske hindurchgehende Strahlung am einen Ende des Lichtleitkabels fokussiert wird. Der Grund liegt darin, daß das gebildete Bild über die Bild­ ebene hinweg gespreizt wird infolge der Aufteilung des Spektrums, das an der Maske abgebildet wird. Ein weiteres Problem kann darin bestehen, daß in einigen Anwendungs­ fällen eine transparente Maske nicht verwendet werden kann, wo ein Zugang zu beiden Seiten der Maske erforderlich ist.

Es besteht die Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen Stellungswandlers;

Fig. 2 eine Seitenansicht des optischen Kopfes des Wandlers;

Fig. 3 eine Draufsicht des beim Wandler verwendeten drehbaren Kodierers;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Kodierers und

Fig. 4A bis 4C Ausgangssignale, die bei verschie­ denen Stellungen des Kodierers nach Fig. 4 auftreten.

Gemäß Fig. 1 weist der optische Stellungswandler eine Strahlenquelle 1 auf, die ein Strahlenspektrum λ ₁ bis λ ₂ erzeugt und beispielsweise einer lichtimitierenden Diode oder einer Wolframlampe besteht, die durch eine Strom­ quelle 21 erzeugt wird. Die Strahlung der Lichtquelle 1 wird über ein Lichtleitkabel 2 einem optischen Kopf 3 zu­ geführt, der nachfolgend noch im einzelnen beschrieben werden wird. Der optische Kopf 3 teilt die Strahlung in ihr Spektrum auf, das auf eine Kodierscheibe 4 gerichtet wird, die sich entsprechend den Änderungen einer Eingangs­ veränderlichen um die Achse 5 dreht. Diese Eingangsver­ änderliche kann beispielsweise abgeleitet werden von einem Druck- oder Temperatursensor, der die Eingangswelle 6 der Kodierscheibe 4 dreht.

Die Kodierscheibe 4 reflektiert verschiedene Anteile des Spektrums zurück zum optischen Kopf 3 entsprechend der Stellung dieser Kodierscheibe. Die reflektierte Strahlung wird im optischen Kopf 3 zusammengefaßt und einem Ende eines Lichtleitkabels 7 zugeführt. Die Lichtleit­ kabel 2, 7 weisen bevorzugt nur eine Phase auf. Das rück­ führende Kabel 7 ist an seinem anderen Ende verbunden mit einem Dekodierer 8, der die zurückgeleitete Strahlung in ihre Frequenzkomponenten aufteilt. Die Aufteilung in die verschiedenen Wellenlängen im Dekoder 8 kann durch einen Gitterumformer oder ein Prisma erfolgen. Das vom Dekoder gebildete Spektrum wird auf eine lineare Anord­ nung 9 von Photodioden fokussiert, die den Leitungen 10 Ausgangssignale zuführen, welche repräsentativ sind für die Strahlungsintensität an verschiedenen Stellen des Spektrums. Da üblicherweise nur eine Photodiode verwen­ det und angestrahlt wird, sondern das Licht über mehrere Photodioden gespreizt wird, wird ein Signalprozessor 11 verwendet, der die Beleuchtungsspitzen identifiziert. Das Ausgangssignal vom Signalprozessor 11 wird einer An­ zeigevorrichtung 12 zugeführt, die eine Anzeige der Stel­ lung der Kodierscheibe 4 wiedergibt, wobei die Eintei­ lung direkt die zu messende Eingangsveränderliche, wie beispielsweise den Druck oder die Temperatur anzeigt. Alternativ dazu kann das Ausgangssignal des Prozessors 11 dazu verwendet werden, Steueraufgaben durchzuführen.

Falls weißes Licht ausreichender Intensität verwendet wird, kann ein Anteil des modifizierten Lichts abgespal­ ten und dazu verwendet werden, einen Punkt an einer Steuertafel zu erleuchten. Hierdurch ist eine einfache und direkte Anzeige des Zustands der Veränderlichen mög­ lich. Da am Ende des sichtbaren Spektrums die Farbe rot herrscht, kann diese Farbe auf diese Weise einen gefähr­ lich hohen Druck anzeigen, während die Farbe grün einen erlaubten Druck wiedergibt.

Der optische Kopf 3 wird nachfolgend anhand der Fig. 2 näher beschrieben. Der optische Kopf 3 besteht aus einem Glasblock, der aus verschiedenen Glaselementen zusammen­ gefügt ist. Anstelle von Glas kann auch ein anderes op­ tisch transparentes Material verwendet werden. Der Haupt­ teil des Kopfes 3 besteht aus einem im wesentlichen recht­ eckigen Kollimatorblock 31 mit einer sphärisch konvergie­ renden Oberfläche 32, auf welcher eine reflektierende Beschichtung 33 angebracht ist. Die gegenüberliegende Fläche 34 des Kollimatorblocks 31 ist eben und trägt die anderen Komponenten des optischen Kopfes. Diese umfassen zwei prismatische Elemente 35 und 36, die mit dem oberen Ende der ebenen Fläche 34 verbunden sind und über die die Strahlung in den Kopf bzw. aus dem Kopf tritt. Das Ein­ gangselement 35 weist eine ebene Oberfläche 37 auf, die an der ebenen Fläche 34 des Kollimatorblocks anliegt und eine geneigte untere Oberfläche 38, welche die Eingangs­ strahlung in dem Kollimatorblock 31 reflektiert und die es ermöglicht, daß die aus dem Kollimatorblock austreten­ de Strahlung zum Ausgangselement 36 hin hindurchgeht. Das Ausgangselement 36 weist die Form eines Parallelo­ gramms auf, bei dem eine Fläche 39 an der geneigten Flä­ che 38 des Eingangselements 35 anliegt. Die gegenüberlie­ gende Fläche 40 ist mit reflektierendem Material beschich­ tet und reflektiert die Strahlung in Richtung auf das Licht­ leitkabel 7.

Unterhalb der Ein- und Ausgangselemente 35 und 36 ist auf der ebenen Fläche 34 ein Diffraktionselement 41 an­ geordnet. Das Diffraktionselement 41 ist ein Glasblock mit einer ebenen vorderen Fläche 42, welche gegen den Kollimatorblock 31 anliegt, und mit einer geneigten hinteren Fläche 43, die mit einem reflektierenden Dif­ fraktionsgitter 44 beschichtet ist.

Am unteren Ende der ebenen Fläche 34 des Kollimatorblocks 31 ist ein Prismenelement 45 mit einer geneigten hin­ teren Fläche 46 befestigt, die mit einer reflektierenden Schicht beschichtet ist, welche die vom Kollimatorblock 31 austretende Strahlung nach unten auf die Kodierschei­ be 44 reflektiert. Die von der Kodierscheibe 4 reflek­ tierte Strahlung wird sodann von dieser rückwärtigen Seite 46 zurück in den Kollimatorblock 31 reflektiert.

Verfolgt man den Strahlengang durch den optischen Kopf 3, dann ergibt sich, daß von der optischen Leitung 2 die Strahlung nach unten in den Kopf eintritt und hierbei divergiert. Die eintretende Strahlung wird von der Flä­ che 38 des Eingangselements 35 nach rechts horizontal in Richtung der reflektierenden Kollimatoroberfläche 32 reflektiert. Die Krümmung dieser Kollimatoroberfläche 32 ist derart, daß ein paralleler reflektierter Licht­ strahl entsteht, der durch den Block 31 nach links in Richtung auf das Diffraktionsgitter 44 verläuft. Das Gitter 44 teilt die einfallende Strahlung in ihre Spek­ trumskomponenten auf und erzeugt einen reflektierten Strahl, der zwischen den ausgezogenen und gestrichelt dargestellten Linien aufgespreizt ist. Die in ihr Spek­ trum aufgeteilte Strahlung verläuft zurück auf die Kol­ limatoroberfläche 32, wo die einfallende Strahlung kon­ vergiert und nach links zum Prismenelement 45 geleitet wird. Von der hinteren Fläche 46 des Prismas 45 wird die Strahlung nach unten reflektiert und auf der Oberfläche der Kodierscheibe 4 fokussiert. Die Strahlung wird auf diese Weise in ihre einzelnen Wellenlängen zerlegt, wo­ bei ein Strahlenspektrum 60 entsteht, das radial zur Scheibe 4 verläuft.

Die von der Kodierscheibe 4 reflektierte Strahlung wan­ dert den gleichen Weg durch den optischen Kopf 3 zurück zum Diffraktionsgitter 44. Die von der Kodierscheibe 4 auf das Diffraktionsgitter 44 reflektierte Strahlung wird unter einem Winkel abgelenkt, der von der Wellenlänge der Strahlung abhängig ist. Nach Reflektion an der Oberfläche 32 trifft die Strahlung auf die geneigte Oberfläche 38 des Eingangsblocks 35 auf. Die rückseitige Fläche 38 des Eingangsblocks 35 und die vordere Fläche 39 des Ausgangs­ blocks 36 bilden zusammen eine strahlspaltende Oberfläche, so daß ein Teil der von der Kodierscheibe 4 reflektier­ ten Strahlung durch die Flächen 38 und 39 hindurch auf die reflektierende Fläche 40 gelangt, wo sie in Richtung auf das Lichtleitkabel 7 reflektiert wird. Das Gitter 44 stellt hierbei sicher, daß die gesamte von der Kodier­ scheibe 4 reflektierte Strahlung an einem Punkt am Ende des optischen Kabels 7 abgebildet bzw. vereinigt wird.

Hieraus ergibt sich, daß bei Verwendung des vorbeschrie­ benen optischen Kopfes 3 die Strahlung entsprechend den Wellenlängen, aus denen sie zusammengesetzt ist, aufge­ teilt wird, bevor diese Strahlung auf die Kodierscheibe 4 gelangt. Die auf diese Weise in ihre Wellenlängen auf­ geteilte Strahlung wird von dort durch die reflektierenden Spuren der Kodierscheibe reflektiert und durch das Gitter 44 zu einem gemeinsamen Strahl zusammengeführt. Auf diese Weise wird das Licht vom Ende des Lichtleiters 2, der einen sehr kleinen Durchmesser aufweist, zu einem breiten Spektrum 60 auf der Kodierscheibe 4 aufgespreizt und die reflektierende Strahlung zu einem gemeinsamen Punkt fokus­ siert und zwar am einen Ende des Lichtleitkabels 7, das ebenfalls einen sehr kleinen Durchmesser aufweist. Das auf das eine Ende des Lichtleitkabels fokussierte Bild weist somit die gleiche Größe auf wie dasjenige am Ende des Lichtleitkabels 2, wodurch sich ein maximaler Wirkungs­ grad ergibt, wenn die beiden Lichtleitkabel 2, 7 den glei­ chen Durchmesser aufweisen.

Durch Verwendung eines reflektierenden Kodierers ist es möglich, den gleichen optischen Kopf zum Zerlegen und zum Zusammenführen des Lichts zu verwenden, wodurch vermieden wird, daß ein separater Kombinierer verwendet werden muß, der zusätzliche Kosten und Raum beansprucht. Durch Verwen­ dung eines reflektierenden Kodierers ist es auch nicht not­ wendig, daß Zugang hinter dem Kodierer geschaffen werden muß. Hierdurch ist es möglich, die Kodierung auf einem opaken Bauteil anzuordnen.

Da die Kollimatoroberfläche 32, das Gitter 44 und die re­ flektierenden Oberflächen 38, 45 und 40 alle an einem so­ liden Block angeordnet sind, besteht nicht die Gefahr von Relativbewegungen zwischen diesen Oberflächen beispiels­ weise infolge von Vibrationen.

Es ist möglich, den gleichen Lichtleiter zum Zuführen und Abführen der Strahlung zu verwenden. Falls jedoch im Licht­ leiter Verbindungsstücke verwendet werden, besteht die Gefahr, daß an den Verbindungsstücken Reflektionen auf­ treten, und es besteht weiterhin die Gefahr, daß ein Teil der Eingangsstrahlung direkt dem Dekodierer zugeführt wird, wo es dann schwierig ist, diese Strahlung von der reflektierten Strahlung zu unterscheiden.

Eine Ausführungsform einer Kodierscheibe 4 zeigt die Fig. 3. Diese weist einen nicht reflektierenden Hinter­ grund 50 und reflektierende Markierungen in Form von Spu­ ren 41 und 42 auf. Die äußere Spur 41 ist kreisförmig und zentrisch zur Achse 5 der Scheibe angeordnet. Die innere Spur 42 weist Spiralform auf, so daß der Abstand zwischen den Spuren 41 und 42 um die Scheibe 4 herum sich verändert. Das auf der Scheibe 4 abgebildete Spektrum ist der Bereich 40, der sich radial über die beiden Spuren hinweg erstreckt. Dreht sich die Scheibe, dann werden unterschiedliche Teile des Spektrums von der Spiralspur 42 zurück zum optischen Kopf 3 reflektiert. Die kreisför­ mige Spur 41 reflektiert stets den gleichen Teil des Spek­ trums zurück, wodurch überprüfbar ist, daß die Spur konzen­ trisch verläuft. Wird jedoch der Abstand zwischen den bei­ den Spuren gemessen, dann ist der Wandler unempfindlich gegenüber Exzentrizitäten bei der Kodierscheibe.

Alternativ dazu ist es möglich, eine Kodierscheibe zu ver­ wenden, die eine digitale Kodierung aufweist, wie beispiels­ weise einen Gray-Code.

Es ist nicht notwendig, daß der Kodierer die Form einer sich drehenden Scheibe aufweist. Es ist auch möglich, daß er aus einer Platte besteht, welche sich linear bewegt. Eine Form einer solchen Platte 70 ist in Fig. 4 gezeigt, wobei diese Platte in Bewegungsrichtung zwei reflektie­ rende Spuren 71 und 72 aufweist. Die Spuren 71 und 72 sind gegeneinander geneigt, so daß ihr Abstand in Ver­ schieberichtung sich verändert. Das auf der Platte abge­ bildete Spektrum ist wiederum mit 60 bezeichnet.

Bei dieser Plattenform ist es möglich, sowohl Bewegungen in Längsrichtung als auch quer dazu zu messen. Die Fig. 4A zeigt die Ausgangssignale der Photodiodenanordnung 9 für die Platte 70 in einer Stellung in bezug auf das ab­ gebildete Spektrum 60 wie in Fig. 4 gezeigt. Wird die Platte 70 nach links bewegt, dann wird der Abstand zwi­ schen den Spuren 71 und 72, die sich unter dem abgebil­ deten Spektrum 60 befinden geringer, so daß die Signale enger beeinanderliegen, wie dies die Fig. 4B zeigt. Wird die Platte 70 quer dazu verschoben, dann bleibt wohl der Abstand zwischen den Signalen unverändert, jedoch ändert sich ihre Absolutstellung, wie dies die Fig. 4C zeigt. Durch Erfassen des Abstands zwischen den Signalen ist es möglich, die Stellung der Platte 70 in Längsrichtung zu erfassen. Wird zusätzlich die Absolutstellung der Signale erfaßt, ist es auch möglich, Stellungen der Platte 70 in Querrichtung zu erfassen.

Claims (10)

1. Optischer Stellungswandler mit einer optischen Strah­ lungsquelle, die eine Strahlung mit einem breiten Frequenzband erzeugt, die durch einen optischen Kopf in ihre Spektrumskomponenten zerteilt wird, die auf einem bewegbaren Teil abgebildet werden, dessen Stel­ lung zu erfassen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das bewegbare Teil (4, 70) mit reflektierenden Markierungen (41, 42, 71, 72) kodiert ist, die nach Stellung des Teils (4, 70) unterschied­ liche Spektrumskomponenten zurück zum optischen Kopf (3) reflektieren, der optische Kopf (3) die reflektier­ te Strahlung entsprechend ihren Wellenlängen in Rich­ tung auf das Ende eines Lichtleiters (7) ablenkt und dort abbildet, der die reflektierte Strahlung einem Detektor (8, 9, 11) zuführt, der auf Strahlung unter­ schiedlicher Wellenlängen anspricht und Ausgangssig­ nale entsprechend der empfangenen Wellenlängen erzeugt.

2. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf (3) ein Diffraktionselement (44) aufweist, das die Ein­ gangsstrahlung in ihre Spektrumskomponenten zerteilt und das die von den Markierungen (41, 42, 71, 72) reflek­ tierte Strahlung in den Lichtleiter (7) ablenkt.

3. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffraktions­ element ein Diffraktionsgitter (44) ist.

4. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf (3) eine konvergierende, reflektierende Oberfläche (32) aufweist, diese Oberfläche (32) die einfallende Strahlung parallel richtet und auf das Diffraktionselement (44) reflektiert und die von den Markierungen (41, 42, 71, 72) reflektierte Strahlung auf das Ende des Lichtleiters (7) fokussiert.

5. Optischer Stellungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtleiter (2) vorgesehen ist, der die Strah­ lung der Strahlungsquelle (1) dem optischen Kopf (3) zuführt und ein zweiter Lichtleiter (7) vorgesehen ist, der die reflektierte Strahlung vom optischen Kopf (3) dem Detektor (8, 9, 11) zuführt.

6. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Licht­ leiter (2) aus einer einzigen Faser besteht.

7. Optischer Stellungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kopf (3) aus einem soliden Block (31) eines optisch transparenten Materials besteht.

8. Optischer Stellungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil ein analoger Kodierer (4, 70) ist, der Kodierer (4, 70) zwei reflektierende Spuren (41, 42, 71, 72) aufweist, deren Abstand sich in Bewe­ gungsrichtung verändert und der Detektor (8, 9, 11) auf den Abstand der reflektierten Spektrumskomponenten anspricht.

9. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil (70) in zwei zueinander rechtwinklig verlaufen­ den Richtungen bewegbar ist, und der Detektor (8, 9, 11) sowohl auf den Abstand der reflektierten Spektrums­ komponenten als auch deren Absolutstellung anspricht.

10. Optischer Stellungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil eine drehbare Scheibe (4) ist, das eine erste zur Drehachse (5) konzentrische Spur (41) und eine zweite spiralförmig verlaufende Spur (42) aufweist.