DE202011106839U1

DE202011106839U1 - Optical distance detector

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Publication number: DE202011106839U1
Application number: DE201120106839
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Kistler Holding AG
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-10-15

Abstract

Sensor zur optischen Detektion von zumindest einer vordefinierten Lage eines Messobjekts (6) in einem Bewegungsvorgang, insbesondere zur Ermittlung einer Extremlage des Messobjekts (6), vorzugsweise eines Totpunkts eines Kurbeltriebs, mit einem Lichtsender (1), der ein Sender-Licht (3) über einen Lichtleiter zu dem Messobjekt (6) leitet, und einem Lichtempfänger (2), über den die Menge des von einem Messobjekt (6) in den Lichtempfänger (2) reflektierten Lichts gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (1) zum Aussenden eines gebündelten Sender-Lichts (3) und der Lichtempfänger (2) zum Empfangen eines gebündelten Empfänger-Lichts (4) derart eingerichtet sind, dass sich das gebündelte Sender-Licht (3) und das gebündelte Empfänger-Licht (4) kreuzen und am Messobjekt (3) in der vordefinierten Lage des Messobjekts (6) maximal überdecken, oder dass der Lichtsender (1) zum Senden von in einem Brennpunkt fokussiertem Sender-Licht (3) und der Lichtempfänger (2) zum Empfangen von aus einem Brennpunkt ausgehendem Empfänger-Licht (4) eingerichtet sind, wobei ein gemeinsamer Brennpunkt von Lichtsender...Sensor for the optical detection of at least one predefined position of a measurement object (6) in a movement process, in particular for determining an extreme position of the measurement object (6), preferably a dead center of a crank drive, with a light transmitter (1) which emits a transmitter light (3) via a light guide to the measurement object (6), and a light receiver (2), via which the amount of light reflected by a measurement object (6) into the light receiver (2) is measured, characterized in that the light transmitter (1) for Emitting a bundled transmitter light (3) and the light receiver (2) for receiving a bundled receiver light (4) are set up in such a way that the bundled transmitter light (3) and the bundled receiver light (4) intersect and on the object to be measured (3) in the predefined position of the object to be measured (6) as much as possible, or that the light transmitter (1) for sending transmitter light (3) focused in a focal point and the light receiver (2) for receiving v on receiver light (4) emanating from a focal point, with a common focal point of the light transmitter ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur optischen Detektion von zumindest einer vordefinierten Lage eines Messobjekts in einem Bewegungsvorgang, insbesondere zur Ermittlung einer Extremlage des Messobjekts, vorzugsweise eines Totpunkts eines Kurbeltriebs, mit einem Lichtsender, der ein Sender-Licht über einen Lichtleiter zu dem Messobjekt leitet, und einem Lichtempfänger, über den die Menge des von einem Messobjekt in den Lichtempfänger reflektierten Lichts gemessen wird.The invention relates to a sensor for the optical detection of at least one predefined position of a measurement object in a movement process, in particular for determining an extreme position of the measurement object, preferably a dead center of a crank mechanism, with a light transmitter which passes a transmitter light via an optical fiber to the measurement object. and a light receiver through which the amount of light reflected from a measurement object into the light receiver is measured.

Demnach befasst sich die Erfindung insbesondere mit einem Sensor zur optischen Detektion von einem oder mehreren vordefinierten Abständen durch Maximierung der Lichtmenge, die vom Sensor an das Messobjekt gesendet und von diesem in den Sensor zurückgestrahlt wird an diesen vordefinierten Abständen bzw. mit einem Verfahren zur Auswertung solcher Signale insbesondere an von Kurbeltrieben bewegten Messobjekten zum Zwecke der Bestimmung der Totpunktslage auch bei starker Belastung durch Störlicht oder Schmutz in der Mess-Strecke.Accordingly, the invention is particularly concerned with a sensor for optically detecting one or more predefined distances by maximizing the amount of light sent by the sensor to the measurement object and reflected back into the sensor at these predefined distances or with a method for evaluating such Signals, in particular, on measured objects moved by crank mechanisms for the purpose of determining the dead center position, even in the event of heavy exposure to stray light or dirt in the measuring path.

Sensoren, die einen vordefinierten Abstand zu einem bewegten Teil detektieren, können Verwendung finden, um das Durchlaufen eines vordefinierten Sicherheitsabstandes zu detektieren, können die richtige Bewegung eines Teiles anhand dieses vordefinierten Prüfabstandes kontrollieren oder in Verbindung mit geeigneten Auswerteverfahren den Totpunkt einer von einem Kurbeltrieb erzeugten Kolbenbewegung (OT-Bestimmung) bestimmen, beispielsweise durch Bestimmung der Mitte zwischen den beiden Kurbelwinkeln, an denen der Kolben die zu detektierende Distanz durchläuft. Bisher wurde die optische Detektion des Erreichens vordefinierter Abstände vielfach durch Messsysteme erreicht, die eine über den Messweg kontinuierlich in eine Richtung veränderliche Lichtmenge ergeben und die nachteiligerweise durch Störlicht oder Schmutz in der Mess-Strecke sehr leicht störbar sind. Eine andere Lösung sind Lichtschranken. Das Problem von Lichtschranken ist, dass an zwei Seiten des Messobjektes optischer Zugang möglich sein muss oder das Objekt einen Spiegel tragen muss, der den Lichtstrahl exakt in den Empfänger reflektiert.Sensors that detect a predefined distance to a moving part can be used to detect the passage of a predefined safety distance, can control the correct movement of a part based on this predefined test distance or in conjunction with suitable evaluation the dead center of a piston movement generated by a crank mechanism Determine (OT determination), for example by determining the middle between the two crank angles at which the piston passes through the distance to be detected. So far, the optical detection of reaching predefined distances has been achieved in many cases by measuring systems that result in a continuously variable over the measuring path in one direction amount of light and are disadvantageously easily disturbed by stray light or dirt in the measurement path. Another solution is photocells. The problem with photocells is that optical access must be possible on two sides of the measurement object or that the object must carry a mirror that reflects the light beam exactly into the receiver.

Für die Bestimmung der Totpunktslage am Kolben eines Kurbeltriebes wurden beide Messsysteme vorgeschlagen, mit den beschriebenen Nachteilen der verwendeten Abstands-Messsysteme.For the determination of the dead center position on the piston of a crank mechanism, both measuring systems have been proposed, with the described disadvantages of the distance measuring systems used.

Weiters ist aus der US 4,661,695 ein Abstandsmesser bekannt, welcher im Wesentlichen dem in 1a der vorliegenden Anmeldung dargestellten Stand der Technik entspricht. Dieser Abstandsmesser weist eine Sender/Detektor-Einheit auf, wobei von einem Sender ausgesandtes Licht durch eine optische Faser geleitet wird; das an einem Kolben reflektierte Licht wird durch umfangseitig an der Faser angeordnete Fasern empfangen und den Empfängerelementen zugeführt, um über die empfangene Lichtmenge den Abstand zur Oberfläche des Kolbens zu bestimmen. Aus dem Empfangssignal kann sodann der obere Totpunkt der Kolbenbewegung ermittelt werden.Furthermore, is from the US 4,661,695 a distance meter is known, which substantially the in 1a corresponds to the prior art shown in the present application. This distance meter comprises a transmitter / detector unit, wherein light emitted by a transmitter is passed through an optical fiber; the light reflected on a bulb is received by fibers disposed circumferentially on the fiber and supplied to the receiver elements to determine the distance to the surface of the bulb via the amount of light received. From the received signal then the top dead center of the piston movement can be determined.

Dieser Stand der Technik betrifft somit eine Sensor-Vorrichtung mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 enthaltenen Merkmalen, wonach das Licht von einem Lichtsender über einen Lichtleiter zugeführt und vom bewegten Kolben in einen Empfänger reflektiert wird.This prior art thus relates to a sensor device having the features contained in the preamble of claim 1, according to which the light is supplied from a light emitter via a light guide and reflected by the moving piston in a receiver.

Die Sensorik dieses Standes der Technik ist zwar grundsätzlich dazu geeignet, die Extremlagen von Bewegungsvorgängen (hier den Umkehrpunkt des Kolbens) zu erfassen; in der Praxis wurde jedoch beobachtet, dass eine Verschmutzung der Messstrecke oder das Auftreten von Störlicht das Messsignal derart reduzieren bzw. verändern kann, dass die Ermittlung der Extremlagen mit großen Ungenauigkeiten behaftet ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass gemäß Stand der Technik ein ungebündeltes, divergentes Sender-Licht verwendet wird, welches über ein vergleichsweise großes Intervall des Abstands zwischen Sender und Messobjekt ein abstandsabhängiges Messsignal liefert, das nachteiligerweise sehr störanfällig ist.Although the sensor technology of this prior art is basically suitable for detecting the extreme positions of movement processes (in this case, the reversal point of the piston); However, it has been observed in practice that contamination of the measuring path or the occurrence of stray light can reduce or alter the measuring signal in such a way that the determination of the extreme positions is subject to great inaccuracies. The reason for this is that according to the prior art, an unbundled, divergent transmitter light is used which, over a comparatively large interval of the distance between the transmitter and the measurement object, supplies a distance-dependent measurement signal which disadvantageously is very susceptible to interference.

Aus der DE 102 42 374 A1 ist weiters eine andersartige Technik zur Inspektion von elektrischen Bauelementen durch Erstellung eines Oberflächenprofils befasst.From the DE 102 42 374 A1 Furthermore, a different technique for inspection of electrical components by creating a surface profile is concerned.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Messsysteme zu überwinden. Demnach soll ein Sensor bzw. ein Verfahren geschaffen werden, mit welchem bzw. mit welcher die Detektion von Abständen, insbesondere die Bestimmung von Totpunktslagen in einem Kurbeltrieb, mit möglichst einfachen Mitteln bewerkstelligt wird, wobei die Messung auch bei gestörter Messstrecke, wenn Störlicht in die Messstrecke gelangt oder sich die Lichtdurchlässigkeit der Messstrecke ändert, zuverlässig ermöglicht wird.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the known measuring systems. Accordingly, a sensor or a method is to be provided, with which or with which the detection of distances, in particular the determination of dead centers in a crank mechanism, accomplished with the simplest possible means, the measurement even in disturbed test section, if stray light in the Passing measured distance or the light transmittance of the measuring section changes, is reliably enabled.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs angeführten Art gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Lichtsender zum Aussenden eines gebündelten Sender-Lichts und der Lichtempfänger zum Empfangen eines gebündelten Empfänger-Lichts derart eingerichtet sind, dass sich das gebündelte Sender-Licht und das gebündelte Empfänger-Licht kreuzen und am Messobjekt in der vordefinierten Lage des Messobjekts maximal überdecken, oder dass der Lichtsender zum Senden von in einem Brennpunkt fokussiertem Sender-Licht und der Lichtempfänger zum Empfangen von aus einem Brennpunkt ausgehendem Empfänger-Licht eingerichtet sind, wobei ein gemeinsamer Brennpunkt von Lichtsender und Lichtempfänger vorgesehen ist, der an der vordefinierten Lage des Messobjekts liegt, wobei jeweils in der vordefinierten Lage des Messobjekts vom Lichtempfänger ein Lichtmaximum wahrnehmbar ist, so dass durch Bestimmung des Lichtmaximums die vordefinierte Objektlage detektierbar ist.This object is achieved in a sensor of the initially mentioned kind according to claim 1, characterized in that the light emitter for emitting a bundled transmitter light and the light receiver for receiving a bundled receiver light are arranged such that the focused transmitter light and the bundled Cross receiver light and overlap on the measured object in the predefined position of the DUT maximally, or that the light emitter for sending focal point focused transmitter light and the light receiver for receiving outgoing from a focus receiver light are arranged, wherein a common focus of light emitter and light receiver is provided, which is located on the predefined position of the measurement object, each in the predefined position of the A light maximum is perceptible to the object to be measured by the light receiver so that the predefined object position can be detected by determining the light maximum.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.

Demnach sieht der erfindungsgemäße Sensor die Verwendung von gebündeltem Sender-Licht und Empfänger-Licht (vorzugsweise in Form von im Wesentlichen parallelen Strahlenbündeln), welche sich in der vordefinierten Objektlage maximal überdecken, oder alternativ das Aussenden von in einem Brennpunkt fokussiertem Sender-Licht und Empfangen von Empfänger-Licht, das aus dem gemeinsamen, an der vordefinierten Objektlage angeordneten Brennpunkt ausgeht, vor. In der vordefinierten Lage des Messobjekts wird jeweils vom Lichtempfänger ein Lichtmaximum wahrgenommen, so dass durch Bestimmung des Lichtmaximums die vordefinierte Objektlage detektierbar ist.Thus, the sensor of the present invention contemplates the use of collimated transmitter light and receiver light (preferably in the form of substantially parallel beams) that maximally overlap in the predefined object position, or alternatively, emission of focal-point focused transmitter light and reception of receiver light emanating from the common focal point located at the predefined object position. In the predefined position of the measurement object, a light maximum is perceived by the light receiver in each case, so that the predefined object position can be detected by determining the light maximum.

Beiden alternativen Ausführungen ist gemeinsam, dass bloß in einem kleinen Bereich um die vordefinierte Lage des Messobjekts und zudem vergleichsweise schmale Lichtsignale detektiert werden, welche somit wesentlich weniger anfällig gegenüber Störlicht und Verunreinigungen der Messstrecke sind als die bekannte Ausführungen.Common to both alternative embodiments is that only in a small area around the predefined position of the test object and also comparatively narrow light signals are detected, which are thus much less susceptible to interference light and impurities of the test section than the known embodiments.

Hierdurch können insbesondere Störphänomene, die beispielsweise bei der Kolbenwegmessung in Verbrennungs-Motoren immer auftreten, zuverlässig ausgeschaltet werden, so dass die Nachteile gängiger optischer Systeme, welche im gefeuerten Betrieb nicht funktionieren bzw. stark gestört werden, überwunden werden.In particular, disturbing phenomena which always occur, for example, in piston travel measurement in internal combustion engines, can thus be reliably switched off, so that the disadvantages of conventional optical systems which do not function or are severely disturbed in fired operation are overcome.

Die erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht somit darin, dass gebündeltes oder auf einen Brennpunkt fokussiertes Licht eines Lichtsenders auf eine diffus reflektierende Stelle des Messobjektes gerichtet wird und dass die Empfangsoptik des Sensors nur in einem engen Bereich gebündeltes oder von einem Brennpunkt ausgehendes Licht empfangen kann. Im Fall des fokussierten Lichts liegt dieser Brennpunkt der Empfangsoptik am selben Ort wie der Brennpunkt des Lichtsenders. Wenn das Messobjekt auf seinem Weg zum oder vom Sensor sich in der Entfernung des gemeinsamen Brennpunktes befindet, wird die in die Empfangsoptik reflektierte Lichtmenge ein Maximum erreichen. Im Fall der schmalen Lichtbündel ist die Ausrichtung von Sendelicht und gebündeltem Empfangs-Lichtpfad so, dass sich beide am Messobjekt in der gewünschten Entfernung treffen, so dass in dieser Entfernung ein Maximum an reflektiertem Licht empfangen werden kann.The solution to the problem of the invention thus consists in that focused or focused on a focus light of a light transmitter is directed to a diffusely reflecting point of the measurement object and that the receiving optics of the sensor can receive only in a narrow range bundled or outgoing from a focal point light. In the case of the focused light, this focal point of the receiving optics is in the same place as the focal point of the light emitter. If the measurement object is on the way to or from the sensor in the distance of the common focus, the amount of light reflected in the receiving optics will reach a maximum. In the case of narrow light beams, the alignment of the transmitted light and the focused receiving light path is such that both meet at the target at the desired distance, so that a maximum of reflected light can be received at this distance.

Die Beschränkung der Abstandsmessung auf einen interessierenden Abstand ermöglicht einerseits die Wahl und die Beschränkung der Lage des Messvorgangs auf eine möglichst ungestörte Phase der zu detektierenden Bewegung und zusätzlich eine geometrische Messlicht-Führung durch möglichst ungestörte Bereiche. Je nach Bündelung des gesendeten und des empfangenen Lichts werden um den vorgewählten Abstand schmale bis extrem schmale Lichtintensitätspulse am Empfänger detektiert werden, mit Maxima die hinsichtlich ihrer Lage das Maß für den zu detektierenden Abstand sind. Die Lage dieser Maxima ist kaum störbar. Vor allem bei stark gebündelten Messstrahlen, im extremsten Fall scharf fokussiert, ändert sowohl Störlicht, das die Signalhöhe um den Messpuls anhebt, als auch eine Verschmutzung der Messstrecke, die den Messpuls kleiner macht, die Lage des Pulsmaximums kaum.Limiting the distance measurement to a distance of interest makes it possible on the one hand to choose and limit the position of the measurement process to a possibly undisturbed phase of the movement to be detected, and additionally to provide geometrical measurement light guidance through undisturbed areas. Depending on the bundling of the transmitted and the received light, narrow to extremely narrow light intensity pulses are detected at the receiver by the preselected distance, with maxima which are the measure of the distance to be detected with respect to their position. The location of these maxima is hardly disturbing. Especially with strongly focused measuring beams, in the most extreme case sharply focused, changes both stray light, which raises the signal height by the measuring pulse, as well as contamination of the measuring section, which makes the measuring pulse smaller, the position of the pulse maximum hardly.

Die Lösung des Problems der OT-Bestimmung erfolgt also dadurch, dass statt der Erzeugung und Messung eines im gesamten OT-Bereich abstandsabhängigen Messgrößen-Verlaufs, der leicht gestört werden kann, nur sehr nah am zu detektierenden Abstand wesentliche Messgrößen erzeugt werden, die dort ausgeprägten Signal-Pulse sind auch bei starken Störungen hinsichtlich ihrer Winkellage noch gut erkennbar. Die Mitte zwischen den zu einem Abstand gehörenden Pulsen ergibt den OT. Die vorgeschlagenen Sensoren können auch bei starken Störungen durch Streulicht oder Lichtabsorption noch zuverlässig die benötigte Abstandsbestimmung liefern. Werden mehrere vordefinierte Abstände detektiert, z. B. durch mehrere Sensoren, kann damit auch Weg gemessen werden.The solution to the problem of OT determination is thus that, instead of generating and measuring a distance-dependent course of the OT range, which can be easily disturbed, only very close to the distance to be detected essential parameters are generated, the pronounced there Signal pulses are still clearly recognizable even in the case of strong disturbances with regard to their angular position. The middle between the pulses belonging to a distance gives the OT. The proposed sensors can still reliably provide the required distance determination even with strong disturbances caused by scattered light or light absorption. If several predefined distances detected, z. B. by multiple sensors, so also way can be measured.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind der Lichtsender und der Lichtempfänger in einer Winkellage zueinander angeordnet.According to a preferred embodiment, the light emitter and the light receiver are arranged in an angular position to each other.

Vorzugsweise sind mehrere Lichtsender und/oder mehrere Lichtempfänger zum Senden bzw. Empfangen von mehreren einander kreuzenden und an mehreren vordefinierten Objektlagen maximale Überdeckung aufweisenden Bündeln von Sender-Licht und Empfänger-Licht vorgesehen.Preferably, a plurality of light emitters and / or a plurality of light receivers are provided for transmitting or receiving a plurality of mutually crossing and at a plurality of predefined object positions maximum coverage having bundles of transmitter light and receiver light.

Zudem ist es günstig, wenn der Lichtsender und der Lichtempfänger zum Senden des fokussierten Sender-Lichts bzw. zum Empfangen des fokussierten Empfänger-Lichts derart eingerichtet sind, dass sich das fokussierte Sender-Licht und das fokussierte Empfänger-Licht in einem gemeinsamen Brennpunkt kreuzen, welcher an der vordefinierten Lage des Messobjekts liegt.In addition, it is advantageous if the light emitter and the light receiver for transmitting the focused transmitter light or for receiving the focused receiver light are arranged such that the focused transmitter light and the focused receiver light in a common Cross the focal point, which is located at the predefined position of the measurement object.

Weiters ist es von Vorteil, wenn der Lichtsender zum Senden von fokussiertem Sender-Licht mit zumindest zwei Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge eingerichtet ist, so dass zumindest zwei Paare von genau übereinander liegendem fokussierten Sender-Licht und fokussierten Empfänger-Licht entstehen, die an zumindest zwei vordefinierten Objektlagen Lichtmaxima ergeben.Furthermore, it is advantageous if the light transmitter is adapted to transmit focused transmitter light with at least two components of different wavelengths, so that at least two pairs of precisely superimposed focused transmitter light and focused receiver light arise, which are at least two predefined Object locations give light maxima.

Vorteilhaft ist zudem eine Ausführung, bei welcher der Lichtsender zumindest zwei Sender/Empfänger-Elemente in unterschiedlicher Position derart aufweist, dass zumindest zwei Paare von genau übereinander liegendem fokussierten Sender-Licht und fokussierten Empfänger-Licht enstehen, die an zumindest zwei vordefinierten Objektlagen Lichtmaxima ergeben.Also advantageous is an embodiment in which the light emitter has at least two transmitter / receiver elements in different positions such that at least two pairs of exactly superimposed focused transmitter light and focused receiver light arise, which result in at least two predefined object positions maximum light ,

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird zur Entfernung von Störlicht aus dem vom Lichtempfänger empfangenen Empfänger-Licht ein Messvorgang mit Sender-Licht und ein weiterer Messvorgang ohne Sender-Licht durchgeführt, wobei von dem Signal des Messvorgangs mit Sender-Licht das Signal des weiteren Messvorgangs ohne Sender-Licht subtrahiert wird.According to a preferred embodiment, to remove stray light from the receiver light received by the light receiver, a measuring operation with transmitter light and a further measuring operation is performed without transmitter light, wherein the signal of the further measuring operation without transmitter from the signal of the measuring operation with transmitter light Light is subtracted.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Messvorgang mit Sender-Licht und/oder der weitere Messvorgang ohne Sender-Licht mehrfach durchgeführt werden, um den Einfluss von Schwankungen in dem von Störlicht überlagerten Prozess oder beim Messvorgang durch Mittelwertbildung zu minimieren.In this case, it is advantageous if the measuring operation with transmitter light and / or the further measuring operation without transmitter light is carried out several times in order to minimize the influence of fluctuations in the process superimposed by interfering light or in the measuring process by averaging.

Bei dieser Ausführung ist es zudem günstig, wenn der Messvorgang mit Sender-Licht und der weitere Messvorgang ohne Sender-Licht mehrfach durchgeführt werden, wobei die Messreihenfolge so gewählt wird, dass abwechselnd eine bestimmte Zahl von Messungen mit und eine bestimmte Zahl von Messungen ohne Sender-Licht erfolgt.In this embodiment, it is also advantageous if the measurement process with transmitter light and the further measurement without transmitter light are performed several times, the measurement sequence is chosen so that alternately a certain number of measurements with and a certain number of measurements without transmitter Light takes place.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren weiter beschrieben. Im Einzelnen zeigen:The invention will be further described below with reference to the figures. In detail show:

1 einen optischen Abstands-Sensor mit üblicher Bauart gemäß Stand der Technik; 1 an optical distance sensor of conventional design according to the prior art;

2a, 2b, 3, 4, 5a und 5b erfindungsgemäße Ausführungen eines optischen Abstands-Sensoren für eine, zwei, vier oder eine Vielzahl vorbestimmter Entfernungen unter Verwendung von eng gebündelten Lichtstrahlen und engen Empfangs-Pfaden; 2a . 2 B . 3 . 4 . 5a and 5b embodiments of optical distance sensors according to the invention for one, two, four or a multiplicity of predetermined distances using narrowly collimated light beams and narrow reception paths;

6 bis 8 jeweils eine weitere erfindungsgemäße Ausführung eines optischen Abstands-Sensors für eine oder zwei vorbestimmte Entfernungen unter Verwendung von fokussierten Lichtstrahlen und von fokussierten Empfangs-Pfaden. 6 to 8th a further embodiment according to the invention of an optical distance sensor for one or two predetermined distances using focused light beams and focused reception paths.

9 eine weitere erfindungsgemäße Ausführung eines optischen Abstands-Sensors für zwei vorbestimmte Entfernungen unter Verwendung eines stark gebündelten Lichtstrahls und zweier fokussierter Empfangs-Pfade; und 9 a further embodiment of an optical distance sensor according to the invention for two predetermined distances using a highly concentrated light beam and two focused receive paths; and

10a–d Diagramme für einen durch Störlicht überlagerten Messvorgang. 10a -D Diagrams for a measuring process superimposed by stray light.

In 1 ist der Stand der Technik dargestellt. 1a zeigt das Messprinzip. Das Messlicht wird in einem weit geöffneten Sender-Lichtstrahl 3 auf das Messobjekt geführt und vom gesamten diffus reflektierten Licht 5 wird der Teil, der in einem – hier ebenfalls großen – Empfänger-Lichtstrahl 4 liegt, zum optischen Detektorelement geführt. Beide Lichtkegel sind idealerweise von gleicher Größe. Der Lichtsender 1 und Lichtempfänger 2 benutzen hier im vordersten Bereich dasselbe Element, beispielsweise einen Lichtleiter, der Licht auf das Messobjekt 6 leitet und reflektiertes Licht vom Messobjekt zurückleitet. Der Lichtsender ist in diesem Fall hinter einem halbdurchlässigen Spiegel angeordnet, der vom Messobjekt zurückreflektiertes Licht teilweise in das optische Detektorelement reflektiert. Je näher das Messobjekt an Lichtsender und Lichtempfänger kommt, desto mehr wird vom diffus reflektierten Licht in den Empfänger gelangen, bei Null-Abstand 100%. Für einen von einem Kurbeltrieb bewegten Kolben sind der Kolbenweg 7 und die Menge des im Lichtempfänger erfassten Lichts 8 beispielhaft dargestellt (vgl. 1b). Durch die Bestimmung des leicht messbaren Lichtmaximums kommt man also zur Bestimmung des maximalen Kolbenhubs, dem oberen Totpunkt.In 1 the state of the art is shown. 1a shows the measuring principle. The measuring light is in a wide-open transmitter light beam 3 guided to the test object and the entire diffuse reflected light 5 becomes the part that is in a - here also large - receiver beam 4 is guided to the optical detector element. Both light cones are ideally of the same size. The light transmitter 1 and light receiver 2 use here in the foremost area the same element, such as a light guide, the light on the measured object 6 conducts and reflects reflected light from the object of measurement. In this case, the light transmitter is arranged behind a semitransparent mirror, which partially reflects light reflected back from the measurement object into the optical detector element. The closer the object to be measured to the light transmitter and the light receiver, the more will come from the diffusely reflected light into the receiver, at zero distance 100%. For a piston moved by a crank drive, the piston travel 7 and the amount of light detected in the light receiver 8th exemplified (see. 1b ). By determining the easily measurable maximum light, one thus comes to determining the maximum piston stroke, the top dead center.

Diese Messmethode funktioniert gut, wenn weder Störlicht oder Schmutz in der Mess-Strecke das Lichtsignal beeinflussen.This method of measurement works well if no interfering light or dirt in the measuring path affects the light signal.

In 2 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführung des optischen Distanzdetektors dargestellt. Ein Lichtsender 1 sendet einen eng gebündelten Sende-Lichtstrahl 3 zum Messobjekt. Der Lichtempfänger 2 detektiert Licht nur aus einem ebenfalls eng gebündelten Empfänger-Lichtstrahl 4. Nur von der Fläche des Messobjektes 6, die der Empfänger-Lichtstrahl auch sehen kann bzw. die im Empfänger-Lichtstrahl liegt, kann auch Licht in den Empfänger fallen. Je nach Position des Messobjektes 6a bis 6d (vgl. 2a) sieht der Empfänger-Lichtstrahl mehr oder weniger die vom Sender-Lichtstrahl befeuchtete Fläche. Bei einer Bewegung des Messobjektes nach oben sieht der Empfänger bis zur Position 6a die beleuchtete Fläche innerhalb des Sender-Lichtstrahls gar nicht, bei Position 6b teilweise, bei Position 6c voll und bei Position 6d wieder gar nicht. Es wird also, wie in 2b anhand der Bewegung eines von einem Kurbeltrieb bewegten Kolben 8 dargestellt, schon vor der obersten Kolbenstellung zu einem Maximum des Lichtsignals 8 kommen, dessen Lage durch die vorgewählte Lage des Überschneidungsbereiches von Sender-Lichtstrahl und Empfänger-Lichtstrahl wählbar ist. Beim Nach-unten-gehen des Kolbens wird der Überschneidungsbereich nochmals durchlaufen und es entsteht ein zweites Maximum des Lichtsignals 8. Aus der Lage dieser Maxima ist der obere Totpunkt leicht zu ermitteln. Im Bereich zwischen diesen Maxima auftretende Störungen führen zu keiner Beeinträchtigung der Bestimmung des oberen Totpunkts (OT), der genau mittig zwischen diesen Maxima liegt.In 2 a first embodiment of the optical distance detector according to the invention is shown. A light transmitter 1 sends a narrow beam of transmitted light 3 to the measurement object. The light receiver 2 detects light only from a tightly bundled receiver beam 4 , Only from the surface of the measurement object 6 which the receiver beam can also see, or which is in the receiver beam, may also drop light into the receiver. Depending on the position of the measurement object 6a to 6d (see. 2a ) the receiver light beam more or less sees the surface moistened by the transmitter light beam. When the measurement object moves upwards, the receiver sees to the position 6a the illuminated area within the transmitter light beam not at all, at position 6b partially, at position 6c full and in position 6d not again. So it will, as in 2 B by the movement of a piston moved by a crank mechanism 8th shown, even before the highest piston position to a maximum of the light signal 8th whose position can be selected by the preselected position of the overlap region of transmitter light beam and receiver light beam. When going down the piston, the overlap area is again run through and there is a second maximum of the light signal 8th , From the location of these maxima top dead center is easy to determine. Disturbances occurring in the region between these maxima do not impair the determination of top dead center (TDC), which lies exactly in the middle between these maxima.

Die 3 bis 5 zeigen optische Abstands-Sensoren, die wie der in 2 dargestellte Sensor Lichtsignal-Maxima aus dem Überschneidungsbereich je eines Sender- und eines Empfangs-Lichtstrahls detektieren. Je nach Anzahl der gebildeten Überschneidungsbereiche, d. h. zwei Überschneidungsbereiche in 3, vier Überschneidungsbereiche in 5 und sechzehn Überschneidungsbereiche in 4, können entsprechend viele Positionen des Messobjektes detektiert werden, was für eine entsprechend aufgelöste Messung des Objekt-Weges nutzbar ist.The 3 to 5 show optical distance sensors that like the in 2 Detected sensor light signal maxima from the overlap area each of a transmitter and a receive light beam detect. Depending on the number of overlapping areas formed, ie two overlapping areas in 3 , four overlapping areas in 5 and sixteen overlapping areas in 4 , correspondingly many positions of the measurement object can be detected, which can be used for a correspondingly resolved measurement of the object path.

Ein anderer Nutzen von mehreren sehr schmalen Sender-Lichtstrahlen und mehreren ebenso schmalen Empfänger-Lichtstrahlen kann darin liegen, dass man mehrere der aufgrund der schmalen Lichtstrahlen auch sehr kleinen/kurzen Überschneidungsbereiche in dieselbe Messobjektposition legt und so einen entsprechend kurzen, aber kräftigen Lichtsignalpuls erhält.Another benefit of several very narrow transmitter light beams and several equally narrow receiver light beams can lie in the fact that one places several of the narrow light beams also very small / short overlap areas in the same Meßobjektposition and thus receives a correspondingly short but powerful light signal pulse.

5b zeigt, wieder am Beispiel eines von einem Kurbeltrieb bewegten Kolben, wie die Lichtsignale aus den Überschneidungsbereichen des in 5a dargestellten Sensors mit einem Sender- und vier Empfänger-Lichtstrahlen aussehen. Daraus lässt sich eine Kolbenwegmessung an 2 mal 4 Punkten oder eine relativ sichere Bestimmung des oberen Totpunkts ableiten, die selbst dann noch einen Wert liefert, wenn an drei der vier vordefinierten Messpositionen starke Störungen durch Störlicht oder Verschmutzung auftreten. 5b shows, again using the example of a piston moved by a crank mechanism, such as the light signals from the overlapping areas of the in 5a sensor with a transmitter and four receiver beams look like. From this a piston travel measurement at 2 × 4 points or a relatively safe determination of the top dead center can be derived, which even provides a value even if strong disturbances due to stray light or contamination occur at three of the four predefined measurement positions.

6 zeigt einen optischen Abstands-Sensor, an dem sowohl der Sender- als auch der Empfangs-Lichtstrahl fokussiert sind. Bringt man beide Brennpunkte zur Deckung, dann entsteht beim Durchgang des Messobjektes 6 durch die Position dieses Brennpunktes in 6f ein sehr schmaler und hoher Lichtsignalpuls, der eine sehr genaue Positionsbestimmung des Messobjektes ermöglicht. 6 shows an optical distance sensor, on which both the transmitter and the receiving light beam are focused. Bringing both foci to cover, then arises during the passage of the measured object 6 by the position of this focal point in Fig. 6f a very narrow and high light signal pulse, which allows a very accurate position determination of the measurement object.

Der in 7 dargestellte Sensor verwendet wie der Sensor in 6 fokussierte Sender- und Empfangs-Lichtstrahlen. Der Lichtsender 1 und Lichtempfänger 2 benutzen hier im vordersten Bereich dasselbe Element, d. h. gesendetes Licht und reflektiertes Licht verwenden dieselben optischen Elemente, die in diesem Fall einen punktförmigen Lichtaustritt und einen ebenso punkförmigen Eintritt bilden, beispielsweise durch Fokussierung oder eine sehr dünne Lichtleitfaser. Die Lichtquelle ist in diesem Fall hinter einem halbdurchlässigen Spiegel angeordnet, der vom Messobjekt zurückreflektiertes Licht teilweise in das optische Detektorelement reflektiert. Dieser Sensor hat den großen Vorteil, dass nicht zwei unabhängige Elemente für das Senden und das Empfangen von Licht genau zueinander positioniert werden müssen. Verwendet man als Messlicht ein aus zwei Komponenten mit unterschiedlicher Wellenlänge bestehendes Licht, dann entsteht für jede dieser Wellenlängen ein eigener Fokus, so dass zwei vordefinierte Messpositionen gebildet werden.The in 7 shown sensor used as the sensor in 6 focused transmitter and receiver beams. The light transmitter 1 and light receiver 2 use here in the foremost area the same element, ie transmitted light and reflected light use the same optical elements, which in this case form a point-like light exit and a likewise punk-shaped entrance, for example by focusing or a very thin optical fiber. In this case, the light source is arranged behind a semitransparent mirror which partly reflects light reflected back from the measurement object into the optical detector element. This sensor has the great advantage that it is not necessary to position two independent elements for the transmission and reception of light exactly to each other. If a light consisting of two components with different wavelengths is used as measurement light, a separate focus is produced for each of these wavelengths, so that two predefined measurement positions are formed.

In 8 findet man denselben Sensor wie in 7, erweitert um ein zusätzliches Sende- und Empfangs-Element in etwas anderer Entfernung zum gemeinsamen Fokussierelement, so dass sich eine zusätzliche Messposition ergibt.In 8th you find the same sensor as in 7 , extended by an additional transmitting and receiving element at a slightly different distance to the common focusing element, so that there is an additional measuring position.

In 9 wird ein sehr stark gebündelter Sender-Lichtstrahl zum Messobjekt geführt und zwei fokussierende Empfangs-Lichtstrahlen kreuzen an vordefinierten Positionen diesen Sender-Lichtstrahl. Beim Durchgang des Messobjektes durch diese vordefinierten Positionen entstehen wieder sehr schmale und hohe Lichtsignalpulse. Durch die Anordnung vieler Empfängerelemente kann bei dieser Bauart relativ einfach ein gut auflösender Wegsensor realisiert werden.In 9 For example, a very concentrated transmitter light beam is guided to the measurement object, and two focusing reception light beams cross this transmitter light beam at predefined positions. During the passage of the measurement object through these predefined positions very narrow and high light signal pulses are generated again. The arrangement of many receiver elements can be realized relatively easily a well-resolving displacement sensor in this type.

In den 10a bis 10c ist dargestellt, wie trotz Störlicht durch entsprechendes Messen und Auswerten ein vom Störlicht freies Messsignal erzielt werden kann. Dies ist beispielhaft anhand eines konventionellen optischen Abstand-Sensors 10a gezeigt. 10b zeigt dazu den Hub des von einem Kurbeltrieb bewegten Kolbens und ein von Störlicht unbeeinflusstes Lichtsignal. Daraus kann sehr gut der Totpunkt der Kolbenbewegung bestimmt werden. 10c zeigt Störlicht, wie es beispielsweise an Verbrennungsmotoren durch das Leuchten während der Verbrennung entsteht.In the 10a to 10c shows how, despite stray light by appropriate measurement and evaluation, a measurement signal free of the stray light can be achieved. This is exemplified by a conventional optical distance sensor 10a shown. 10b shows for this purpose the stroke of the piston moved by a crank mechanism and a light signal unaffected by disturbing light. From this, the dead center of the piston movement can be determined very well. 10c shows stray light, as occurs, for example, combustion engines by lighting during combustion.

In 10d ist das Gesamtsignal gezeigt, das ein Lichtdetektor bei Vorhandensein beider Lichtkomponenten sehen würde. Dieses Signal ist für die Bestimmung des Totpunktes der Kolbenbewegung völlig ungeeignet. Das Gesamtsignal muss erst von der Störkomponente durch Verbrennungsleuchten gereinigt werden. Ein bekannter Ansatz dafür ist, als Messlicht ein Licht mit möglichst nur einer Wellenlänge zu verwenden, und auch nur diese Wellenlänge zu messen. Als Störlicht wird dann nur noch der Teil des Verbrennungslichtes gemessen der in den Wellenlängenbereich des Empfängers fällt. Diesen teilweise noch beträchtlichen Störanteil kann man aber in der gezeigten Ausführung ebenfalls noch beseitigen, wenn man an Maschinen misst, die die zu messende Bewegung zyklisch wiederholen. Dann kann man das Lichtsignal im interessierenden Bereich der Bewegung einmal ohne Messlicht aufnehmen, misst also nur das Störlicht 9 in 10c und einmal mit Messlicht, misst also das in 10d gezeigte Gesamtlicht 10. Um Fehler durch zyklische Schwankungen zu minimieren, bildet man bei beiden Messvorgängen, mit und ohne Messlicht, gemittelte Zyklen. Um auch Veränderungen der Verbrennung über die für die Mitteilung notwendigen langen Messzeiten auszuschalten, kann man über die Messzeit das Messlicht regelmäßig bei einzelnen Zyklen zuschalten, beispielsweise bei jedem zweiten oder dritten Zyklus, um im Anschluss die Mitteilungen aus Zyklen mit und ohne Messlicht zu bilden. Auch Messsignale von anderen Sensoren können auf diese Art vom Störlicht befreit werden.In 10d the total signal that a light detector would see in the presence of both light components is shown. This signal is completely unsuitable for determining the dead center of the piston movement. The total signal must first be cleaned of the noise component by means of combustion lights. A known approach for this is to use a light with only one wavelength as measuring light, and also to measure only this wavelength. As Störlicht then only the part of Combustion light measured in the wavelength range of the receiver falls. However, in the embodiment shown, this partly still considerable amount of interference can also be eliminated by measuring on machines which repeat the movement to be measured cyclically. Then you can record the light signal in the area of interest of the movement once without measuring light, so only measures the stray light 9 in 10c and once with measuring light, so measure that in 10d shown total light 10 , In order to minimize errors due to cyclic fluctuations, averaged cycles are formed in both measurement processes, with and without measurement light. In order to eliminate changes in the combustion beyond the long measurement times required for the message, the measuring light can be switched on regularly during individual cycles, for example every second or third cycle, in order to form the messages from cycles with and without measurement light. Also measuring signals from other sensors can be freed from stray light in this way.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4661695 [0005]
DE 10242374 A1 [0008]

Claims

Sensor for the optical detection of at least one predefined position of a test object ( 6 ) in a movement process, in particular for determining an extreme position of the measurement object ( 6 ), preferably a dead center of a crank mechanism, with a light transmitter ( 1 ), which is a transmitter light ( 3 ) via a light guide to the measurement object ( 6 ), and a light receiver ( 2 ), over which the quantity of a measuring object ( 6 ) in the light receiver ( 2 ) reflected light, characterized in that the light emitter ( 1 ) for emitting a bundled transmitter light ( 3 ) and the light receiver ( 2 ) for receiving a bundled receiver light ( 4 ) are arranged such that the bundled transmitter light ( 3 ) and the bundled receiver light ( 4 ) and on the measuring object ( 3 ) in the predefined position of the test object ( 6 ) or that the light transmitter ( 1 ) for transmitting focus-focused transmitter light ( 3 ) and the light receiver ( 2 ) for receiving out of a focus receiver light ( 4 ), wherein a common focal point of light emitter ( 1 ) and light receiver ( 2 ) provided at the predefined position of the test object ( 6 ), wherein in each case in the predefined position of the test object ( 6 ) from the light receiver ( 2 ) a maximum light is perceptible, so that by determining the maximum light, the predefined object position is detectable.

Sensor according to claim 1, characterized in that the light transmitter ( 1 ) and the light receiver ( 2 ) are arranged in an angular position to each other.

Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that a plurality of light transmitters ( 1 ) and / or a plurality of light receivers ( 2 ) for transmitting or receiving a plurality of intersecting sender light beams (FIG. 3 ) and receiver light ( 4 ) are provided.

Sensor according to claim 1, characterized in that the light transmitter ( 1 ) and the light receiver ( 2 ) for transmitting the focused transmitter light ( 3 ) or for receiving the focused receiver light ( 4 ) are arranged such that the focused transmitter light ( 3 ) and the focused receiver light ( 4 ) in a common focal point, which at the predefined position of the measurement object ( 6 ) lies.

Sensor according to claim 1, characterized in that the light transmitter ( 1 ) for transmitting focused transmitter light ( 3 ) is arranged with at least two components of different wavelength, so that at least two pairs of exactly superimposed focused transmitter light ( 3 ) and focused receiver light ( 4 ), which produce light maxima at at least two predefined object positions.

Sensor according to claim 1, characterized in that the light transmitter ( 1 ) has at least two transmitter / receiver elements in different positions such that at least two pairs of precisely superimposed focused transmitter light ( 3 ) and focused receiver light ( 4 ), which produce light maxima at at least two predefined object positions.

Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that for the removal of stray light from the light receiver ( 2 received receiver light ( 4 ) a measurement process with transmitter light ( 3 ) and another measurement without transmitter light ( 3 ) is feasible, whereby the signal of the measurement process with transmitter light ( 3 ) the signal of the further measurement process without transmitter light ( 3 ) is subtracted.

Sensor according to claim 7, characterized in that the measuring operation with transmitter light ( 3 ) and / or the further measurement process without transmitter light ( 3 ) is repeatedly performed in order to minimize the influence of fluctuations in the process superimposed by stray light or in the measuring process by averaging.

Sensor according to claim 8, characterized in that the measuring operation with transmitter light ( 3 ) and the further measuring process without transmitter light ( 3 ) is repeated, the measurement sequence being selected such that a certain number of measurements are taken alternately with and a certain number of measurements without transmitter light ( 3 ) he follows.