DE3243074A1

DE3243074A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE3243074A1
Application number: DE19823243074
Authority: DE
Inventors: Morgan Dipl.-Ing. 72466 Västerås Adolfsson; Bertil Dr. 72348 Västerås Hök
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1981-12-02
Filing date: 1982-11-22
Publication date: 1983-06-09
Also published as: JPS58105398A; GB2113835A; SE8107188L; GB2113835B; SE428971B

Description

Optischer Sensor

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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Sensoren dieser Art haben oft einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau. Man möchte auch gerne die Möglichkeit haben, die Signale, die mehreren Sensoren zugeführt werden müssen bzw. von ihnen abgegeben werden, in multiplexierter Form über ein und dieselbe optische Übertragungsverbindung zu übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu entwickeln, der in seinem Aufbau verhältnismäßig einfach gehalten werden kann und dessen Signale mit denen weiterer Sensoren sich leicht multiplex übertragen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optischer Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche genannt.

Unter dem Q-Wert eines Schwingkreises wird bekanntlich die Gütezahl oder der Wert Q = ω~. 5· verstanden, wobei L die Induktivität und R der Wirkwiderstand des Schwingkreises sind. Ein solcher Sensor gemäß der Erfindung hat im Verhältnis zu bekannten optischen Sensoren einen unkomplizierten optischen

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;-r.ie.«.

" *°21 190 P

. 5 —

Aufbau und bietet vor allem auch die Möglichkeit zu der vorgenannten multiplexen Übertragung.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die umwandelnden Glieder aus Fotodioden und Leuchtdioden und die Schwingkreise sind aus Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut, die in Reihe oder parallelgeschaltet sind^ wobei der Wert der Kapazität oder der Induktivität von der zu erfassenden oder zu messenden Größe abhängig ist» Die optisehe Energie wird dem Sensor mit einer bestimmten Frequenz zugeführt,, beispielsweise, in Impulsform,

Im Vergleich zu anderen optischen Sensorprinzipien hat der Sensor nach der Erfindung also folgende Vorteile! '

Er kann in vielen Fällen aus kommerziell zugänglichen Elektronikbauteilen aufgebaut werden»

Er hat einen unkomplizierten optischen Aufbau„ da die Signalinformation in Form einer intensitätsunabhängigen und'wellenlängenunabhängigen Modulationsfrequenz übertragen werden kann.

Durch Frequenzmultiplexierung kann dieselbe optische Übertragungsverbindung für mehrere Sensoren benutzt werden.,

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig„ 1a - 1b anhand eines Ausführungsbeispieles das

Grundprinzip des Sensors gemäß der Erfincbng, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einem Sensor gemäß der Erfindung und einer zugehörigen kompletten Signalübertragungsanordnung, Fig. 3a - 3d alternative Ausführungsformen eines Sensors

gemäß der Erfindung mit Schwingkreisen aus diskreten Elementen,

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Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung mit kontinuierlich verteilter Induktivität und Kapazität,

Fig. 5a - 5b eine Ausführungsform mit zwei Resonanzkreisen und gemeinsamer optischer Speisung

und Signalübertragung sowie Diagramme zur Erläuterung eines Spezialfalls zweier Sensoren mit nur geringfügig verschiedener Resonanzfrequenz,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung.

Die grundsätzliche Funktionsweise eines Sensors gemäß der Erfindung (siehe Fig. 1a - 1b) ist folgende:

Ein Lichtimpuls 1 fällt auf das Empfängerglied 2 des Sensors, das aus einer Fotodiode oder mehreren Fotodioden besteht. Die dabei entstehende elektrische Spannung treibt einen Strom durch das Senderglied 3» das beispielsweise aus einer Leuchtdiode besteht. Dieser Strom wird durch den Schwingkreis 4 moduliert, so daß die intensität des ausgesandten Lichtes nach Maßgabe einer abklingenden Schwingung variiert, deren Abkling- oder Resonanzfrequenz f hauptsächlich von dem Schwingkreis 4 bestimmt wird. Die Abklingfrequenz ist also

die Frequenz mit der ein z.B..durch einen Impuls angestoßener Schwingkreis unter allmählicher Aufzehrung der Energie frei ausschwingt. Der Schwingkreis ist so ausgebildet, daß die Resonanzfrequenz f von der zu messenden oder erfassenden Größe abhängig ist. Alternativ kann der Schwingkreis auch so beschaffen sein, daß sein Q-Wert oder seine Dämpfung von der zu messenden oder zu erfassenden Größe abhängig ist (Q =CÖq ir). Die Ausnutzung einer solcher Abhängigkeit erfordert jedoch höhere Ansprüche an die im System verwendeten Bauelemente. Siehe die Fluß/Zeit-Kurve links in Figur 1, wobei das obere Diagramm den Eingangslichtfluß 9_ein und das untere Diagramm den zugehörigen Ausgangslichtfluß θ als Funktion der Zeit zeigt.

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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer kompletten Meßanordnung, in der ein optischer Sensor nach der Erfindung verwendet wird. Für die Signalübertragung ist eine optische Faser 5 mit zwei Verzweigungen 6 und 7 vorhanden» Die Leuchtdiode 8 liefert einen Lichtimpuls 1 hoher Intensität und kurzer Dauer (im allgemeinen kurzer als die Periodendauer der Resonanzschwingung), Der von dem Sensor 9 gelieferte Abklingverlauf des Ausgangslichtflusses wird von der Fotodiode 10 erfaßt, deren Fotostrom im Verstärker 11 verstärkt wird. Das Signal wird durch ein Bandpaßfilter 12 gefiltert, um Störsignale weitgehend zu beseitigen, die beispielsweise durch elektromagnetische Einkopplung auf dem Wege von der Erzeugung des Anregungsimpulses bis zur Leuchtdiode 8 hervorgerufen werden können«. Das gefilterte Signal für eine sogenannte PLL-Einheit 13 (Phase Locked Loop =Phasenhaltekreis)« Die PLL-Einheit besteht aus einem Phasenkomparator 14, einem Tiefpaßfilter 15 und einem spannungsgesteuerten Oszillator 16» In dem Phasenkomparator 14 wird die Frequenz des Eingangs signals,, also das Signal vom Bandpaßfilter 12 mit der Frequenz des Ausgangssignals, also der Frequenz des Oszillators 16^ verglichen (Phasenvergleich). Eine eventuell vorhandene Abweichung zwischen den beiden Frequenzen wird vom Phasenkomparator 14 in elektrische Spannungsvariationen umgewandelt _P- welche die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 16 an die Frequenz des Eingangssignals "binden"» Das Ausgangssignal des PLL-Kreises wird einem Frequenzteiler oder Rechner (Zähler) 17 zugeführt, der die Frequenz dieses Signalsdurch eine ganze Zahl, z.B. 4 oder 8, teilt. Das in der Frequenz verkleinerte Signal wird einer monostabilen Kippstufe 18 zugeführt, welche die Zeitdauer des Impulses bestimmt. Die Kippstufe 18 ist auf eine Treiberstufe 19 geschaltet, welche eine genügend hohe Ausgangsleistung für die Leuchtdiode 8 zur Verfügung stellt,, Als Ausgangssignal der Meßanordnung für beispielsweise eine Signalverarbeitungseinheit, ein Anzeigegerät oder ein Stellglied kann entweder das analoge Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 15

/8 BAD ORIGINAL .

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oder das frequenzmodulierte Signal des spannungsgesteuerten Oszillators 16 verwendet werden.

Es ist natürlich auch möglich, den Schwingkreis mit einem andersartigen Eingangssignal anzuregen, beispielsweise mit einem sinusförmigen Signal. In diesem Fall können die Amplitude, die Frequenz oder die Phasenlage des Ausgangssignals benutzt werden, um eine Aussage über die Größe der Resonanzfrequenz f zu erhalten.

Figur 3 zeigt einige alternative Ausführungsformen des Schwingkreises 4. In Figur ja wird ein Parallelschwingkreis verwendet, bei dem die zu messende oder zu erfassende veränderliche Größe die Kapazität C des Schwingkreises beeinflußt. Die Resonanzfrequenz ist durch f_r = 1/2TfTLC" bestimmt. In Figur 3b ist die Größe der Induktivität L von der zu messenden oder zu erfassenden Größe abhängig. Die Figuren 3c und 3d zeigen* Reihenschwingkreise, in denen die meßgrößenabhängige Kapazität C bzw. Induktivität L zur Modulation verwendet wird.

Figur 4 zeigt einen integrierten LC-Kreis, der durch Anwendung von Dünnfilm- oder Dickfilmtechnologie hergestellt ist. Induktivität und Kapazität erscheinen hier nicht als diskrete Bauteile, sondern sind gleichmäßig verteilt und als leitende Schichten auf zwei Platten 20, 21 ausgebildet. Die leitenden Schichten bilden ein Muster von zwei flachen Spulen 22. Die Resonanzfrequenz ist von dem Abstand zwischen den Platten abhängig. Die Anordnung kann also bei geeigneter mechanischer Ausbildung beispielsweise eine an ihr angreifende Kraft 23 erfassen.

Weitere Möglichkeiten zuralternativen Ausbildung des Schwingkreises bestehen in der Ausnutzung der mechanischen Resonanz eines piezoelektrischen Kristalls, z.B. eines Quarzes, oder in der Verwendung von auf akustischen Oberflächenwellen basierenden Elementen.

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7TTT

4 «» C

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Figur 5a zeigt, wie zwei Sensoren kombiniert werden können, um über dasselbe optische Glied zwei unabhängige Meßsignale übertragen zu können. Dabei kann das zweite Meßsignal entweder zur Temperaturstabilisierung der Meßanordnung verwendet werden oder zur übertragung einer zweiten zu erfassenden oder zu messenden Größe« Im Vergleich zu Figur 2 sind zwei zusätzliche Faserverzweigungen 24, 25 vorhanden. Bei dieser Anordnung werden die beiden Schwingkreise durch denselben Impuls 26 angeregt (Figur 5b)_β Wenn die beiden Resonanzfrequenzen die Bedingung Af <<f_r erfüllen, wobei/^f der Frequenzunterschied zwischen den beiden Resonanzfrequenzen ist, so erhält man ein Ausgangssignal θ,,,,» wie es Figur 5b zeigt* Der exponential abklinaus

genden Schwingung gemäß Figur 1 überlagert sich eine Schwebung mit der Schwebungsfrequenz Af _β Ein Nachteil bei der Realisierung einer solchen Anordnung besteht allerdings darin, daß bedeutend höhere Anforderungen an die Q-Werte der Schaltkreise gestellt werden, um eine ausreichend genaue Bestimmung vonAf zu ermöglichen» 20

Bei allgemeineren multiplexierten Übertragungen müssen die verschiedenen Resonanzfrequenzen so voneinander getrennt sein, daß sie unabhängig voneinander mit zweckmäßig gewählten Kurven formen für das Anregungssignal angeregt werden können«,

Auch hinsichtlich der Beeinflussung der Resonanzfrequenz f durch die zu erfassende oder zu messende Größe (Eingangsvariable) gibt es viele Realisierungsmöglichkeiten,, Die nachfolgende Tabelle nennt einige solcher Möglichkeiten;

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* Ί9Ο P

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15

20

25

30

35

Eingangsvariable

Lage (bei Zweipunktme s sung "Ein/Aus")

Lage (bei kontinuierlicher Messung), Kraft, Druck, Flüssigkeitsniveau, Fluß

Temperatur CEin/Aus")

Temperatur (kontinuierlich)

Spannung, Strom, Magnetfeld

Lage ("Ein/Aus"), Magnetfeld

Strom, Magnetfeld

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Aktives Element

Zungenelement, Magnet, mechanischer Umschalter, Schütz, Relais

Induktivität, Kapazität

Bimetallschalter

Diode, Fotodiode

Kapazität

Induktivität

Mechanismus

Ein- und Ausschaltung von parallel- oder reihengeschalteter Induktivität (L) oder Kapazität

Änderung beispielsweise des die Kapazität .bestimmenden ELd:tenab stände s oder der Lage des Ferritkerns einer Induktivität, mechanisches Umwandlungselement

Ein- und Ausschaltung von Induktivität oder Kapazität

Variation von Kapazität (Raumladungsbereich bei pn-übergang) mit der Temperatur

Spannungsabhängige Kapazität, Kapazitätsdiode

Gegenseitige Induktivität , die aus Wirbelströmen in naheliegenden Metallgegenständen gebildet wird.

Sättigung des Kerns einer Eisenkernspule'."

40 Auch die Ausführung des. Empfängergliedes 2 und des Sendergliedes 3 kann im Rahmen der Erfindung variiert werden. Wenn Fotodioden und Leuchtdioden verwendet werden, müssen diese natürlich kombiniert werden, damit das Wellenband der Leuchtdiode 8 gut mit dem Maximum der spektralen An-

45 sprechkurve der Fotodiode 2 übereinstimmt. Dasselbe gilt für die Leuchtdiode 3 und die Fotodiode 10, deren Wellenbänder am besten gegenüber denen der vorgenannten verschoben sind, um eine optische Ausfilterung von Reflexionen in

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NAOHQEREICHT

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Verzweigungen und Verbindungsstellen zu ermöglichen* Diese haben zwar keine direkt störende Entwicklung, da die Signale bandpaßgefiltert werden* sie vergrößern jedoch in unerwünschtem Maße das Rauschen der Fotodiode 10„ 5

Eine besonders elegante Ausführungsform besteht darin, als Empfängerglied 2 und Senderglied 3 dasselbe optoelektronische Bauteil zu verwenden» Dies ist möglich mit einer sogenannten Fotolumineszenzdiode 27_f und einen solchen Sensor zeigt Figur 6. Die Funktion einer solchen Fotolumineszenzdiode .ist in der europäischen Patentanmeldung 81 10 4609»3 näher beschrieben.

Die Erfindung kann im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden«

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Γ1.)Optischer Sensor zur Erfassung oder Messung von Größen, wie z.B. einer Lage, einer Kraft» eines Druckes, eines Flüssigkeitsniveaus, eines Flusses, einer Temperatur, einer Spannung, eines Stroms oder eines Magnetfeldes mit Gliedern (2, 3, 27) zur Umwandlung optischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor außerdem mindestens einen elektrisehen Schwingkreis (4) enthält, dessen Resonanzfrequenz oder Q-Wert von der zu messenden oder zu erfassenden Größe abhängig ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet«, daß die optische Energie mittels mindestens einer optischen Faser (5) dem Sensor zugeführt und/oder von diesem fortgeführt wird.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Energie in Form von Impulsen

(1) zugeführt wird.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Länge der Impulse (1) kleiner als die Periodendauer der Resonanzschwingung ist.

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Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Energie in Form eines sinusförmigen Signals zugeführt wird«

Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis aus mindestens einer Induktivität und einer Kapazität besteht, die in Reihe oder parallelgeschaltet sind,

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7. Optischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Kapazität oder der Induktivität ein Maß für die zu erfassende oder zu messende Größe ist.

8. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (2) zur Umwandlung optischer Energie in elektrische Energie mindestens eine Fotodiode enthält.

9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (3) zur Umwandlung elektrischer Energie in optische Energie eine Leucht-" diode ist.

10. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied zur Umwandlung optischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt eine Fotolumineszenzdiode (27) ist.

11. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (4) aus einem verteilte Induktivitäten und Kapazitäten enthaltenden Leitergebilde (22) besteht.

12. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (4) Zungenelemente, Bimetallelemente, Schütze, Relais und/oder mechanische Umschalter zur Ein- und Ausschaltung von In- _v duktivitäten oder Kapazitäten enthält.

13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis mindestens eine spannungsabhängige Kapazität enthält.

14. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis mindestens eine temperaturabhängige Kapazität enthält.

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ORIGINAL

15. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 8 bis 1Oj₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (4) mindestens einen piezoelektrischen Kristall enthält«

16. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (4) mindestens ein auf akustischen Oberflächenwellen basiertes Element enthält,,

17. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 1O₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (4) eine Induktivität enthält, deren Induktivitätswert von einem in der Nähe befindlichen metallischen Gegenstand beeinflußbar ist.

18. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10_f dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (4) eine Induktivität mit Kern enthält, dessen Permeabilitätszahl von einem äußeren Magnetfeld beeinflußbar sst_o

19. Anordnung zur Multiplexierung mehrerer optischer Sensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Sensoren über Faserverzweigungen (24, 25) an dieselbe Faser (5) angeschlossen sind.

20. Anordnung nach Anspruch 19 zur Kombination der Signale von zwei optischen Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren nahezu identische Resonanzfre™ quenzen haben.

21. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzelehnet, daß mehrere Sensoren vorhanden sind, deren Resonanzfrequenzen deutlich voneinander verschieden sind«"

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