DE8800075U1 - Vorrichtung zum optischen Erfassen des Schaltzustandes eines Schaltgliedes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Erfassen des Schaltzustandes eines Schaltgliedes .

In der Technik ist es verbreitet erforderlich zu prüfen, ob ein mechanisches Element eine bestimmte Endlage erreicht hat,z.B.,ob die Tür eines Flugzeuges geschlossen ist, ob ein Verstellelement eine Endlage erreicht hat, ob ein Ventil geschlossen ist. Es muß also eine Information über einen bestimmten Schaltzustand eines Schaltnlifirins. z.B. die Einstellung eines Bedienungselementes auf eine Endlage, über eine größere Entfernung übertragen und dann, vorzugsweise elektrisch, zur Anzeige gebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Schalter mit Übertragung der Information durch einen Lichtleiter so auszubilden, daß nur in einem räumlich begrenzten Bereich die erforderliche elektrische Ansteuerung und Signalverarbeitung erfolgt, wahrend im übrigen lediglich einfache mechanische bzw. optische Elemente erforderlich sind.Außerdem soll die Störfestigkeit des Systems erhöht werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung zum optischen Erfassen des Schaltzustandes eines Schaltgliedes eine Glasfaser an ihrem einen Ende über einen Lichtleiter-Strahlteiler einerseits an eine Lichtquelle und andererseits an einen Lichtdetektor, z.B. eine Fotodiode, angeschlossen ist und I an ihrem anderen Ende mit einem Spiegel zusammenwirkt, j der in dem einen Schaltzustand des Schaltgliedes ~

wenigstens nahezu am Glasfaserende anliegt und im zweiten

Schaltzustand davon entfernt ist. -' Die Quelle zur Lichterzeugung und der Lichtdetektor s

zum Auswerten des durch die Glasfaser zurücklaufenden -

reflektierten Lichtes können somit eng benachbart angeordnet sein. Das zugeführte Licht wird am anderen Ende der Glasfaser reflektiert, und zwar in starkem Maße, wenn der dort angeordnete Spiegel dicht vor der Endfläche der Glasfaser angeordnet ist, wobei ein geringer Abstand von z.B. etv/a 20 Mikrometer eingehalten werden soll, um eine Beschädigung der optischen Flächen durch ihre mechanische Berührung auszuschließen. Einen minimalen Wert des reflektierten Lichtes erhält man. wenn rior Spiegel einen größeren Abstand von der Faserendfläche hat, so daß nur noch ein geringer Teil des reflektierten Lichtes in die Glasfaser wieder eintritt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung mit einer Lichtquelle und verschiedenen Weiterbildungsmöglichkeiten, und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung mit zwei Lichtquellen.

In Fig. 1 sind in einem Anschlußteil 1 diejenigen Bauelemente vereinigt, mit denen Licht einer Glasfaser 2 zugeführt und das aus ihr zurückkommende, reflektierte Licht zu elektrischen Signelen weiterverarbeitet wird. Die Glasfaser 2 kann aus einem einzigen Stück bestehen; sie kann aber auch mit weiteren Faserteilen 3,4 und 5 über Lichtleitersteckverbindungen 8 zu einem längeren Lichtleiter zusammengesetzt sein.

Am Ende des Lichtleiters 2,3,4,5 ist ein Schaltglied

6 angeordnet, in dem ein Spiegel 7 axial auf das Ende des

Glasfaserteiles 5 hin und zurück bewegbar ist.

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Im Anschlußteil 1 ist ein Lichtleiter-Strahlteiler 10 angebracht, dessen eines Ende über eine Lichtleiter-Steckverbindung 9 mit der Glasfaser 2 verbunden ist. An einem anderen Ende ist eine Lichtquelle 11, z.B. eine Leuchtdiode, angebracht, mit der Licht in die Glasfaseranordnung hineingestrahlt werden kann. Dieses Licht wird einerseits der Glasfaser 2 zugeleitet und andererseits einem lichtempfindlichen Element 12, z.B. einer Fotodiode oder einem Fototransistor. Das aus der Glasfaser 2 zurückkommende reflektierte Licht wird einem zweiten, lichtempfindlichen Element 13 zugeleitet.

Die Helligkeit des von der Lichtquelle 11 in die Lichtleiter eingestrahlten Lichtes wird über das fotoempfindlicht Element 12 und einen ersten Steuerteil 14 überwacht, der entsprechende Signale en einen Speisenteil 15 gibt, der die Helligkeit der Lichtquelle 11 einstellt.

Das aus dem Lichtleiter zurückkehrende Licht wird mittels des zweiten ,lichtempfindlichen Elementes 13 in einen zweiten Steuerteil in elektrische Signale umgesetzt und in nicht näher dargestellter Weise weitergeleitet.

Von der Lichtquelle 11 gelangt so Licht über die Glasfasern zum Schaltglied 6 . In diesem Schaltglied 6 wird in nicht näher dargestellter Weise durch eine von außen zugeführte mechanische Bewegung, z.B. das Schließen einer Tür, der Spiegel 7 bewegt. Dieser befindet sich in der einen Lage in relativ großer aaiäler Entfernung von z.B. 1 mm vor der Faserendfläche. Er kann auch senkrecht dazu aus dem Strahlengang herausbewegt sein. In diesen Fällen wird nur wenig Licht in die Faser zurückreflektiert, so daß die auf das als Fotodetektor wirksame zweite lichtempfindliche Element auffallende Lichtleistung weit unterhalb eines bestimmten Schwallwertes liegt.

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Wenn das Schaltglied 6 in die andere Lage gebracht ist, befindet sich der Spiegel 7 direkt vor der Faser-Endfläche, z.B. mit einem Abstand von nur etwa 20 Mikrometer; durch diesen Abstand wird eine Berührung vermieden, die zu einer Beschädigung der optischen Flächen führen könnte. Das in dieser Position auf den spiegel fallende Licht wird zu einem hohen Prozentsatz in die Glasfaser re-fInktiert- ynd am Lichtdetektor 13 Wird «in Lichtleistunga-Schwellwert überschritten. Der zweite Steuerteil gibt dann ein entsprechendes Signal nach außen ■ b.

Hit Hilfe des fotoempfindlichen Elementes 12 wird nicht nur die Lichtleistung der Lichtquelle 11 konstant gehalten, sondern auch die Funktion dieser Lichtquelle 11 überhaupt überwacht. Wenn die Lichtquelle defekt ist, wird ein, eine Störung anzeigendes Signal erzeugt und nach außen abgegeben.

Um den elektrischen Leistungsbedarf der Anordnung klein zu halten, kann die Lichtquelle 11 im Pulsbetrieb arbeiten. Das Taktverhältnis kann kleiner sein als 1:100, vorzugsweise bei 1:1000 liegen. Auch der zweite Steuerteil 16 kann nur für diese Impulszeiten wirksam getastet werden.

Insbesondere bei Lichtleitungen, die aus mehreren Glasfasern Ober Steckverbindungen zusammengesetzt sind, können durch unerwünschte Reflexionen storsnde Signale erzeugt werden, die das Nutzsignal von einem an dem Lichtleiterende anliegenden Spiegel 7 vortauschen oder verfälschen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann der Spiegel 7 im Schaltglied 6 aus phosphoreszierendem Material be-

bestehen. Im geschlossenen Zustand des Schaltgliedes 6 bei am Lichtleiterende anliegendem Spiegel 7 wird dann Licht auch noch eine gewisse Zeit nach dem auffallenden primären Impuls zurückgestrahlt. Das zweite lichtempfindliche Element 13 kann dann so gesteuert werden, daß es nur in diesem Zeitbereich wirksam ist und so auf die Dauer des reflektierten Lichtimpulses anspricht. Nur ein entsprechend verlängerter Lichtimpuls wird als Reflex-Signal von Spiegel 7 erkannt und als gültige Schalterstellung gewertet. So können zu große Reflexionen an optischen Steckverbindungen u.dgl. unwirksam gemacht werden.

Der Glasfaser-Teil 4 kann als Lichtleiter-Strahlteiler mit Y-Geometrie ausgeführt sein derart, daß der von der Lichtquelle 11 zugeführte Lichtimpuls auch einem Abzweig 17 und einer Steckverbindung 18 sowie einem weiteren, gegebenenfalls längeren Lichtleiter 19 einem weiteren Schaltglied 20 zugeführt wird . Dieses weitere Schaltglied ist entsprechend aufgebaut wie das Schaltglied 6 und hält einen bewegbaren Spiegel 21. Wegen der größeren Lichtleiter-Länge zum weiteren Schaltglied 20 würde ein von der Lichtquelle 11 zugeleiteter Impuls langer laufen bis zum Spiegel 21 als bis zum Spiegel 7, und auch die Rücklaufzeit des reflektierten Impulses ist entsprechend verlängert. Der reflektierte Impuls vom Spiegel 21 kommt somit später am zweiten fotoempfindlichen Element 13 an. Dies kann im zweiten Steuerteil entsprechend ausgewertet werden, so daß über die gleiche Lichtleiterverbindung 2,3,4 die Signale über den Schaltzustand zweier verschiedener Schaltglieder ausgewertet werden können. Durch weitere Strahlteiler kann die Zahl der angeschlossenen Schaltglieder noch erhöht warden.

Ein Aueschelten von Störungen ist auch euf andere Weise möglich. Als Lichtquelle kann eine solche gewählt werden,

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die in geeigneter Weise eine monochromatische Strahlung abgibt, z.B. eine GaAs-LED-Lichtquelle, deren Wellenlenge etwa 750 nm beträgt. Der Spiegel 7 kann dann mit einem geeigneten fluoreszierenden Belag versehen sein, der in einer anderen Wellenlänge zurückstrahlt. Z.B. reflektiert ein GaAs-Spiegel mit einer mittleren Wellenlänge von etwa 850 nm, wenn er von der 750 nm Wellenlänge emittierenden LED angestrahlt wird. Vor dem zweiten lichtempfindlichen Element 13 wird dann ein optisches Kantenfilter angebracht, das nur oberhalb einer Wellenlänge von 800 nm durchlässig ist. Dom lichtempfindlichen Element 13 wird somit nur dann Licht zugeführt, das von dem GaAs-Reflektorbelag stammt, während' etwaige unerwünschte Reflexionen des von der Lichtquelle 11 ausgesandten Lichtes unterdrückt werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, bei der neben der ersten Lichtquelle 11 eine zweite Lichtquelle 25 Anwendung findet. Beide werden an einem gemeinsamen Speiseteil 26 betrieben. Die beiden Lichtquellen 11 und 25 sowie das lichtempfindliche Element 12 sind über einen Lichtleiterkoppler 27 zusammengeschlossen und geben ihr Licht ab über einen Lichtleiter-Strahlteiler 28 und über Glasfasern 2 und 3, an die entsprechend Fig. 1 über einen Strahlteiler 17 Schaltglieder 29 und 30 mit Spiegeln 31 bzw. 32 trtgeschlossen sind. Das an diesen Spiegeln gegebenenfalls reflektierte Licht wird vom Strahlteiler 28 einem dritten lichtempfindlichen Element 33 zugeführt, das mit einem dritten Steuerteil 34 zusammenwirkt.

Die beiden Lichtquellen 11 und 25 senden Licht unterschiedlicher Wellenlänge aus. Die Lichtquelle 11 wird beispielsweise durch eine Leuchtdiode gebildet, die Licht mit einer Wellenlänge von 850 nm emittiert, während die Lichtquelle 25 Licht mit 950 nm «mittiert.

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Die Lichtquelle 11 wird durch eine Leuchtdiode für rotes Licht von 750 nm und die zweite Lichtquelle 25 wird durch eine Leuchtdiode für grünes Licht von 580 nm gebildet. Das Licht beider Dioden gelangt über den Koppler 27 zum lichtemfpindlichen Element 12, dessen Ausgangssignal über den ersten Steuerteil 14 den Speiseteil für die Lichtquellen 11 und 25 steuert derart, daß die Helligkeit beider Lichtquellen auf einen gewünschten Wert gehalten wird . Die Lichtquellen 11 und 25 werden abwechselnd eingeschaltet, so daß die durch sie hervorgerufenen Signale getrennt ausgewertet werden können.

Die Spiegel 31 und 32 weisen eine selektive Reflexion für das* Licht der Quellen 11 bzw. 25 auf. Sie geben im geschlossenen Zustand , wenn der betreffende Spiegel üem Ende des zugeordneten Lichtleiters nahe ist, reflektiertes Licht ab, das dann über den Strahlteiler dem dritten fotoempfindlichen Element 33 zugeführt wird. Im dritten Steuerteil 34 werden dann entsprechende Signale gebildet und in nicht dargestellter, ar? sich bekannter Weise nach außen weitergeleitet.

Der Spiegel weist vorzugsweise einen stark unterschiedlichen Reflexionsgrad für die beiden Lichtwellenlängen auf. Ist der Schalter geschlossen, so empfängt der Detektor 33 eine relativ hohe Lichtleistung der vom Spiegel bevorzugt reflektierten Wellenlänge und nur wenig Lichtleistung der zweiten Lichtquelle (Fig.2). Beide Lichtquellen sollen dabei abwechselnd leuchten. Die Auswerteelektronik soll dabei beispielsweise den Quotienten aus den beiden Empfangesignaisn Pl und P2 bilden. Ist der Schalter geöffnet, sei der Quotient auf den Wert 1 eingestellt, d.h. Pl = P2. Wird der Schalter geschlossen, so wird beispielsweise Pl deutlich größer als P2 und der Quotient aus beiden Signalen deutlich verschieden von 1, also etwa 0,1. Im Gegensatz dazu

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wurde ein Anstieg der Dämpfung der Glasfaser beispielsweise durch Biegeverluste oder verstärkte Reflexionen, hervorgerufen durch zusätzliche oder fehlerhafte Lichtleitersteckverbindungen , beide Empfangssignale gleichzeitig vermindern oder erhöhen und damit den Quotienten daraus unverändert lassen.

Alle beschriebenen Ausführungen des optischen Schalters haben damit den Zweck, die Störfestigkeit der Systems zu erhöhen.

Eine weitere Ausführungsform des Schalters ergibt sich aus einer Abwandlung der Anordnung in Fig. 2, die sich im wesentlichen auf das Schaltelement bezieht. Die Endfläche der Glasfaser im Schalter ist mit einem wellenlängenselektiver. Spiegel versehen, so daß eines der beiden Lichtsignale der Lichtquellen 11 oder 25 dort reflektiert wird. Das Lichtsignal der zweiten Lichtquelle trifft auf den Spiegel 31, der als normaler metallischer Spiegel ausgeführt sein kann, und wird dort dem Schaltzustand entsprechend mehr oder weniger in die Faser reflektiert. Die Signalauswertung geschieht hier auch mit Hilfe der oben beschriebenen Quotientenbildung. Der Schaltzustand "Schalter offen" zeichnet sich hier dadurch aus, daß trotzdem das Reflexsignal der an der Faserendfläche reflektierten Wellenlänge vorhanden ist, es ist vom Schaltzustand unabhängig. Fehlt dieses Reflexsignal, eo ist das Schaltelement gar nicht angeschlossen oder defekt, was als Fehlersignal zur Anzeige gebracht werden kann.

Auch bei einer Anordnung nach Fig. <l können die anderen Weiterbildungen der Erfindung, z.B. mit fluoreszierenden Spiegeln oder mit einer laufzeitabhängigen Detektion im Fotodetektor 33,34 angewendet werden.

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Claims (1)

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   EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

   DIPU-ING. J. RICHTER DIPL-ING F. WERDERMANN . , . -1986

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   UNSER ZEICHEN/O'JR FILE F ■ 8725-III-2113

   T-UeI

   Vorrichtung zum optischen

   Erfassen des Schaltzustandes hamburg.oen 21.3.1988

   eines Schaltgliedes

   Schutzansprüche:

   1. Vorrichtung zum optischen Erfassen des Schaltzustandes eines Scnaltgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasfaser (2,3,4,5) an ihrem einen Ende über einen Lichtleiter-Strahlteiler (10) einerseits an eine Lichtquelle (11) und andererseits an einen Lichtdetektor (13), z.B. eine Fotodiode, angeschlossen ist und an ihrem anderen Ende mit einem Spiegel (7) zusammenwirkt, der in dem einen Schaltzustand des Schaltgliedes (6) wenigstens nahezu am Glaserfaserende anliegt und im zweiten Schaltzustand davon entfernt ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) ein Impuls-Lichtgeber ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß das Impuls-Tastverhältnis kleiner ist als 1:100, vorzugsweise kleiner als 1:1000.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus wenigstens zwei, durch Wellenlänge und/oder Impulszeiten unterschiedliche Einzel-Lichtquellen (11,25) gebildet wird.

   5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7) senkrecht zur Lichtleiter-Achse entfernbar ist.

   6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel durch Bewegung in Richtung der Lichtleiter-Achse entfernbar ist.

   Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ar prüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7) phosphoreszierend reflektierend ist.

   8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

   f dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7)

   farbselektiv reflektierend ist.

   9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7)

   farbtransformierend reflektierend ist.

   10. Vorrichtung nach einem t'sr vorangehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß mittels wenigstens eines Lichtleiter-Strahlteilers (4) wenigstens ein weiterer Lichtleiter (17,19) mit einem weiteren,

   in Abhängigkeit vorn Schaltzustand eines Schaltgliedos (20) bewegbaren Spiegel (21) zusammenwirkt.

   11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (13) laufzeitempfindlich ist.

   12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (13) z.B. mittels eines vorgeschalteten Filters (23) farbempfindlich ausgebildet ist.