DE102007057897B4

DE102007057897B4 - Positionsanzeigender Näherungssensor

Info

Publication number: DE102007057897B4
Application number: DE200710057897
Authority: DE
Inventors: Peter Paul Dr. Deimel; Thomas Pistner; Andreas Prücklmeier
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: DE102007057897A1; WO2009067994A1

Abstract

Positionsanzeigender Näherungssensor für Türen oder Tore eines Fahrzeugs, welche ein magnetisches Material enthalten oder aus einem solchen bestehen, durch Detektion des magnetischen Materials (8), mit einer eine optische Strahlung emittierenden Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der Lichtquelle emittierten und eine Information über das Vorhandensein des magnetischen Materials enthaltenden optischen Strahlung, mit einem Polarisationsfilter (5) und einem Faraday-Material (6), in dem die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung durch das magnetische Material (8) gedreht wird, welche im Weg der von der Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet sind, und mit einem Spiegel (7), der die von dem Faraday-Material (6) kommende optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter (5) hindurch zurück zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei eine der Drehung der Polarisationsrichtung entsprechende Änderung der Intensität der vom Polarisationsfilter (5) durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor erfaßt wird, und wobei der Polarisationsfilter (5), das Faraday-Material (6) und der Spiegel (7) in...

Description

Die Erfindung betrifft einen positionsanzeigenden Näherungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In 1 ist der schematische Aufbau eines solchen optischen Näherungssensors für die Detektion eines magnetischen Materials nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Abstand zu dem magnetischen Material 8 (permanentmagnetisches Material) wird durch die Messung des Magnetfeldes 10 bestimmt. Hierbei wird unpolarisiertes Licht über eine Multimodefaser 3 dem Sensorkopf 9 zugeführt. Innerhalb des Sensorkopfes wird das Licht mit einer Linse 4 kollimiert und mit einem linearen Polarisationsfilter 5 polarisiert. Das polarisierte Licht passiert ein Faraday-Material 6 (z. B. BIG Kristall) welches unter Einwirkung eines Magnetfeldes 10 des magnetischen Materials 8 die Polarisationsrichtung des Lichtes dreht. Das Licht wird anschließend von einem Spiegel 7 reflektiert und die Polarisation wird beim erneuten Passieren des Faraday-Materials 6 weiter gedreht. Durch die gedrehte Polarisation lässt das Polarisationsfilter 5 je nach dem Maß der Verdrehung der Polarisation nur einen Teil des reflektierten Lichts durch. Hierbei folgt die Transmission des Polarisationsfilters einer Cosinusfunktion wie in 2 dargestellt. Da die Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts durch ein auf das Faraday-Material einwirkendes Magnetfeld gering ist, ist die Änderung der Transmission des Polarisationsfilters 5 ebenfalls gering. Die Linse 4 koppelt anschließend das Licht zurück in die Faser 3 ein, welche das in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke gedämpfte Licht zurück zu einer Auswerteeinheit führt. Die Intensität des zurückgeführten Lichts gibt Aufschluß über den Abstand des magnetischen Materials zu dem Sensorkopf. Ein optischer Näherungssensor dieser Art ist aus der US 6 498 654 bekannt.
Aus der EP 0 587 708 B1 sind eine Anzahl von Anordnungen bekannt, welche dazu dienen, eine Änderung des Polarisationszustandes von Licht zu erfassen, welche in einem transparenten Material durch den magnetooptischen Faraday-Effekt, durch elektrische Felder oder durch mechanische Spannungen hervorgerufen wird. Bei einer dieser Anordnungen, die als magnetooptischer Sensor vorgesehen und in 6A dieser Druckschrift dargestellt ist, ist am Ende einer optischen Faser ein magnetooptisches Element vorgesehen, welches mit einem Spiegel versehen ist, so dass die über die optische Faser eintretende optische Strahlung nach zweimaligem Durchlaufen des magnetooptischen Elements wieder über die optische Faser zurückgeleitet wird. An der optischen Faser ist ein Polarisator vorgesehen und zwischen diesem und dem magnetooptischen Element ist ein λ/4-Plättchen angeordnet, so dass sich eine Gesamtphasenverschiebung von λ/2 der im magnetooptischen Element reflektierten optischen Strahlung ergibt. Bei der bekannten Sensoranordnung der wird das mittels des Polarisators linear polarisierte Licht durch das λ/4-Plättchen in einen zirkularen Polarisationszustand gebracht, es ist also zirkular polarisiertes Licht, welches das magnetooptische Element durchdringt.
Aus der US 5 644 397 sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren bekannt, welche zum Erfassen von einen elektrischen Strom in einem Leiter repräsentierenden oder von anderen Magnetfeldern vorgesehen sind. Bei einem in 3 dieser Druckschrift dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein magnetooptisches Material vorgesehen, um lokale Magnetfelder zu messen. Ähnlich wie bei der Sensoranordnung der o. g. EP 0 587 708 B1 ist auch hier zwischen dem faseroptischen Leiter und dem magnetooptischen Material ein λ/4-Plättchen vorgesehen, das dem gleichen Zweck dient, nämlich das linear polarisierte Licht vom Polarisierer in zirkular polarisiertes Licht zu verwandeln, welches das magnetooptische Material hin zum Spiegel und wieder von diesem zurück durchläuft.
Die Druckschrift EP 1 619 513 A2 beschreibt einen weiteren faseroptischen Magnetfeldsensor, welcher zur Messung des Stroms in einem Leiter vorgesehen ist.
Wie aus 1 und der zugehörigen Beschreibung in dieser Druckschrift hervorgeht, ist das magnetooptische Material in Form einer optischen Faser vorgesehen, welche den stromdurchflossenen Leiter in einer Windung umgibt und an deren Ende ein Reflektor vorgesehen ist. Auch hier wird das mittels eines Polarisierers linear polarisierte Licht über ein λ/4-Plättchen in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt, welches dann die magnetooptische Faser bis zum Reflektor und von dort zurück durchläuft.
Ein weiterer faseroptischer Stromsensor ist aus der DE 10 2005 043 322 A1 bekannt. Auch dort ist ein λ/4-Plättchen vorgesehen, welches linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt, das sich dann in einer den stromdurchflossenen Leiter umgebenden Erfassungsfaser ausbreitet und an einem Spiegel reflektiert wird.
Von Cecelja, F. et al.: Optical Sensors for the Validation of Electromagnetic Field Distributions in Biological Phantoms, Proceedings SPIE 1995, Bd. 2510, S. 244–254, wird ein magnetooptischer Sensor beschrieben, welcher ein magnetooptisches Element enthält, das von der optischen Strahlung einer Laserdiode durchdrungen wird, wobei im Weg der optischen Strahlung vor dem magnetooptischen Element ein Linearpolarisator und nach dem magnetooptischen Element ein Strahlteiler mit jeweiligen um +45° bzw. –45° gegen den erstgenannten Polarisator verdrehten Analysatoren angeordnet sind. Mittels der beiden Analysatoren wird die Verdrehung der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes innerhalb des magnetooptischen Elements erfaßt und zur Bestimmung des zu messenden Magnetfeldes ausgewertet. Ein λ/4-Plättchen ist hierbei nicht vorgesehen, vgl. 8 und zugehörige Beschreibung unter 4.2 ”A Sensor Design”.
Die DE 198 01 632 C2 beschreibt eine Reflexlichtschranke zur Erkennung transparenter, polarisierender Materialien, sowie ein Verfahren zur Verbesserung der Störsicherheit einer solchen. Ein magnetooptisches Material zur Erfassung von Magnetfeldern ist hier nicht vorgesehen.
Aus der DE 38 77 543 T2 ist ein faseroptischer Sensor zum Messen einer physikalischen Größe bekannt, wobei ein Meßstrahl durch einen Gegenstand beeinflußt und mit einem Referenzstrahl verglichen wird. Zum Übertragen von Referenz- und Meßstrahl zwischen dem optischen Sensor und einer Auswerteeinrichtung ist eine optische Faser vorgesehen. In dieser werden der Meßstrahl und der Referenzstrahl als linear polarisiertes Licht mit um 90° gegeneinander verdrehter Polarisationsrichtung übertragen. Es erfolgt hier die Messung nicht mittels eines einzigen reflektierten Strahls, sondern durch Vergleich eines Meß- und eines Referenzstrahls.
Aus der EP 0 717 294 B1 schließlich ist ein faseroptischer Sensor bekannt, welcher als Magnetfeld- oder Stromsensor oder in einer anderen Ausführungsform als Sensor für ein elektrisches Feld vorgesehen sein kann. Wenn der Sensor als Magnetfeld- oder Stromsensor dienen soll, enthält er im Wege einer optischen Faser, die von einem Eingang zu einem Ausgang in einer Richtung von optischer Strahlung durchlaufen wird, einen Polarisierer, ein magnetooptisches Element und einen Analysierer, in dieser Folge angeordnet. Nur wenn der Sensor zum Erfassen eines elektrischen Feldes vorgesehen ist, ist zusätzlich zwischen dem Polarisierer und dem optischen Modulator ein λ/4-Plättchen angeordnet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen positionsanzeigenden Näherungssensor zur Verwendung in Fahrzeugen zu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit aufweist, mit geringem Aufwand und kostengünstig herstellbar und robust ist.
Die Aufgabe wird durch einen positionsanzeigenden Näherungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Näherungssensors sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein positionsanzeigender Näherungssensor für Türen oder Tore eines Fahrzeugs, welche ein magnetisches Material enthalten oder aus einem solchen bestehen, durch Detektion des magnetischen Materials geschaffen, mit mit einer eine optische Strahlung emittierenden Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der Lichtquelle emittierten und eine Information über das Vorhandensein des magnetischen Materials enthaltenden optischen Strahlung, mit einem Polarisationsfilter und einem Faraday-Material, in dem (aufgrund des Faraday-Effekts der Magnetooptik) die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung durch das magnetische Material gedreht wird, welche im Weg der von der Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet sind, und mit einem Spiegel, der die von dem Faraday-Material kommende optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter hindurch zurück zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei eine der Drehung der Polarisationsrichtung entsprechende Änderung der Intensität der vom Polarisationsfilter durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor erfaßt wird, und wobei der Polarisationsfilter, das Faraday-Material und der Spiegel in einem Sensorkopf zusammengefaßt angeordnet sind, der über eine optische Multimodefaser/Monomodefaser mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in welcher die Lichtquelle und der optische Detektor zusammengefaßt vorgesehen sind, wobei die optische Strahlung von der Lichtquelle über die Multimodefaser/Monomodefaser zum Sensorkopf und von diesem über die Multimodefaser/Monomodefaser zurück zur Auswerteeinheit geführt wird.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in dem Sensorkopf zwischen dem Faraday-Material und dem Spiegel ein λ/4-Plättchen angeordnet ist, welches eine Drehung der Polarisationsrichtung der zum Faraday-Material zurück reflektierten optischen Strahlung um 90° bewirkt, wobei der Spiegel durch eine reflektierende Endfläche auf dem λ/4-Plättchen gebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen positionsanzeigenden Näherungssensors ist zwischen der optischen Multimodefaser/Monomodefaser und dem Polarisationsfilter eine Kollimatorlinse angeordnet.
Der erfindungsgemäße Näherungssensor kann mit Vorteil als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore eines Luftfahrzeugs vorgesehen sein.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials nach dem Stand der Technik;
2 ein Diagramm, welches die Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der gedrehten Polarisationsrichtung des Lichts einer Cosinusfunktion folgend zeigt, wie es bei dem in 1 gezeigten Näherungssensor nach dem Stand der Technik der Fall ist;
3 in schematischer Darstellung den Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Diagramm, welches die Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der gedrehten Polarisationsrichtung des Lichts einer Sinusfunktion folgend zeigt, wie es bei dem in 3 gezeigten Näherungssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Fall ist; und
5 ein Diagramm, welches die prozentuale Änderung der Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der Drehtung der Polarisationsrichtung des Lichts für den in 3 gezeigten Näherungssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verglichen mit dem in 1 gezeigten Näherungssensor nach dem Stand der Technik wiedergibt.
In 3 ist der schematische Aufbau eines optischen Näherungssensor für die Detektion eines magnetischen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Abstand zu dem magnetischen Material 8 (permanentmagnetisches Material) wird durch die Messung des Magnetfeldes 10 bestimmt. Hierbei wird unpolarisiertes Licht über eine Multimodefaser 3 dem Sensorkopf 9 zugeführt. Innerhalb des Sensorkopfes wird das Licht mit einer Linse 4 kollimiert und mit einem linearen Polarisationsfilter 5 polarisiert. Das polarisierte Licht passiert ein Faraday-Material 6 (z. B. BIG Kristall) welches unter Einwirkung eines Magnetfeldes 10 des magnetischen Materials 8 die Polarisationsrichtung des Lichtes dreht. Das Licht wird anschließend von einem Spiegel 7 reflektiert und die Polarisation wird beim erneuten Passieren des Faraday-Materials 6 weiter gedreht. Durch die gedrehte Polarisation lässt das Polarisationsfilter 5 je nach Verdrehung der Polarisation nur einen Teil des reflektierten Lichts hindurch. Die Linse 4 koppelt anschließend das Licht zurück in die besagte Faser 3 ein, welche das in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke gedämpfte Licht zurück zu einer Auswerteeinheit führt. Die Intensität des zurückgeführten Lichts gibt Aufschluß über den Abstand des magnetischen Materials zu dem Sensorkopf.
Durch Einbringung eines λ/4-Plättchens 11 zwischen Faraday-Material 6 und Spiegel 7, wie in 3 dargestellt, ist die Richtung der Polarisation des Lichtes bei doppeltem Durchgang durch das λ/4-Plättchen 11 um 90° gedreht. Die Empfindlichkeit des Sensorkopfes ist erhöht, die Empfindlichkeitskurve des optischen Naherungssensors für magnetische Materialien ist von der oben erwähnten Cosinusfunktion beim Stand der Technik in eine Sinusfunktion geändert.
Wirkt kein Magnetfeld auf das Faraday-Material 6 so steht die Polarisationsrichtung des Polarisationsfilters 5 und des reflektierten Lichtes senkrecht aufeinander. Die Transmission des Polarisationsfilters 5 ist hierbei Null. Unter Einwirkung eines Magnetfeldes auf das Faraday-Material 6 wird die Polarisation des Lichts weiter gedreht und die Transmission des Polarisationsfilters 5 nimmt gemäß einer Sinusfunktion zu, wie in 4 zu sehen ist.
5 zeigt ein Diagramm, welches die prozentuale Änderung der Transmission des Polarisationsfilters in Abhängigkeit von der Drehtung der Polarisationsrichtung des Lichts für den in 3 gezeigten Näherungssensor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung (obere Kurve) verglichen mit dem in 1 gezeigten Näherungssensor nach dem Stand der Technik (untere Kurve) wiedergibt. Nimmt man beispielsweise eine Drehung von 40° der Polarisationsrichtung des Lichts durch Einwirkung eines Magnetfeldes 10 auf das Faraday-Material 6 an, so bewirkt dies eine Änderung der Transmission von 64% im Gegensatz zu 23% bei einer Cosinusfunktion, wie es in 5 dargestellt ist. Die Empfindlichkeit des Sensors einer Sinusfunktion folgend ist fast um den Faktor 3 höher. Besonders bei schwachen Magnetfeldern kann die Empfindlichkeit des Sensors einer Sinusfunktion folgend bis zu 20 mal höher sein.
Der Spiegel 7 kann durch Aufbringen von geeigneten Materialien auf die Endflache des λ/4-Plättchens 11 realisiert sein.

Claims

Positionsanzeigender Näherungssensor für Türen oder Tore eines Fahrzeugs, welche ein magnetisches Material enthalten oder aus einem solchen bestehen, durch Detektion des magnetischen Materials (8), mit einer eine optische Strahlung emittierenden Lichtquelle und einem optischen Detektor zum Erfassen der von der Lichtquelle emittierten und eine Information über das Vorhandensein des magnetischen Materials enthaltenden optischen Strahlung, mit einem Polarisationsfilter (5) und einem Faraday-Material (6), in dem die Polarisationsrichtung der optischen Strahlung durch das magnetische Material (8) gedreht wird, welche im Weg der von der Lichtquelle emittierten optischen Strahlung nacheinander angeordnet sind, und mit einem Spiegel (7), der die von dem Faraday-Material (6) kommende optische Strahlung durch dieses und den Polarisationsfilter (5) hindurch zurück zu dem optischen Detektor reflektiert, wobei eine der Drehung der Polarisationsrichtung entsprechende Änderung der Intensität der vom Polarisationsfilter (5) durchgelassenen optischen Strahlung am Detektor erfaßt wird, und wobei der Polarisationsfilter (5), das Faraday-Material (6) und der Spiegel (7) in einem Sensorkopf (9) zusammengefaßt angeordnet sind, der über eine optische Multimodefaser/Monomodefaser (3) mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in welcher die Lichtquelle und der optische Detektor zusammengefaßt vorgesehen sind, wobei die optische Strahlung von der Lichtquelle über die Multimodefaser/Monomodefaser (3) zum Sensorkopf (9) und von diesem über die Multimodefaser/Monomodefaser (3) zurück zur Auswerteeinheit geführt wird, wobei in dem Sensorkopf (9) zwischen dem Faraday-Material (6) und dem Spiegel (7) ein λ/4-Plättchen (11) angeordnet ist, welches eine Drehung der Polarisationsrichtung der zum Faraday-Material (6) zurück reflektierten optischen Strahlung um 90° bewirkt, wobei der Spie gel (7) durch eine reflektierende Endfläche auf des λ/4-Plättchens (11) gebildet ist.
Optischer Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optischen Multimodefaser/Monomodefaser (3) und dem Polarisationsfilter (5) eine Kollimatorlinse (4) angeordnet ist.
Optischer Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor als positionsanzeigender Schalter für Türen oder Tore eines Luftfahrzeugs vorgesehen ist.