EP2095084A2 - Optischer drucksensor mit mindestens zwei optischen fasern - Google Patents

Optischer drucksensor mit mindestens zwei optischen fasern

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Publication number
EP2095084A2
EP2095084A2 EP07816272A EP07816272A EP2095084A2 EP 2095084 A2 EP2095084 A2 EP 2095084A2 EP 07816272 A EP07816272 A EP 07816272A EP 07816272 A EP07816272 A EP 07816272A EP 2095084 A2 EP2095084 A2 EP 2095084A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
light
sensor according
membrane
fibers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07816272A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Adrian Kummer
Marco Gnielka
Axel Bertholds
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kistler Holding AG
Original Assignee
Kistler Holding AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kistler Holding AG filed Critical Kistler Holding AG
Publication of EP2095084A2 publication Critical patent/EP2095084A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/264—Optical coupling means with optical elements between opposed fibre ends which perform a function other than beam splitting

Definitions

  • the invention relates to an optical pressure sensor based on light intensity measurements, comprising at least one membrane and at least one first optical fiber and a light exit surface, and at least one second optical fiber arranged parallel to the first optical fiber, and a light entry surface, wherein a light beam from the first fiber can be passed over the light exit surface to the membrane and reflected at this, and wherein the reflected light beam can penetrate via the light entry surface in the second fiber and can be transported in this further.
  • Optical sensors of this type are used for example for engine pressure measurements and installed for this purpose, for example in standard spark plugs.
  • Other models are used, for example, in miniaturized nozzle pressure sensors.
  • light is emitted from a first fiber to a membrane.
  • This membrane is at a different position, ie nearer or farther away from the emitting fiber, depending on what pressure is applied to it from the other side.
  • the light is now reflected on the membrane.
  • Part of the reflected light impinges on the second fiber, which forwards the light to a meter in which this light intensity of the light is measured. Based on the measured light intensity can finally be closed to the position of the membrane with respect to the optical fibers and thus to the prevailing at this time of measurement pressure on the membrane.
  • a disadvantage of such systems is that a small signal is superimposed on a huge offset. Smallest disturbances of this offset therefore result in massive errors in the measured pressure signal.
  • Object of the present invention is to provide an optical pressure sensor of the type described above, which is less sensitive to load change drift, thermal shock and drift.
  • the idea underlying the invention is that the light exit surface and the light entry surface of the two fibers are arranged facing away from each other.
  • the radiation path of the light is changed in such a way that, in use, the proportion of light received by the receiving fiber 4 depends strongly on the position of the membrane.
  • the membrane can be arranged close to the fiber ends, so that a greater proportion of the light intensity can be used. This increases the dynamics of interference.
  • the variance of the light intensity is linear to the applied pressure.
  • the simplest way to achieve the invention is by a roof grinding of a ferrule which contains these two fibers, wherein the light exit surface and the light entry surface are arranged on a respective roof side of the cut.
  • 1a is a schematic representation in section of an optical sensor in the region of the sensor head according to the prior art
  • FIG. 1b shows a perspective schematic illustration of a prior art optical sensor in the region of the fiber ends of the light guides
  • FIG. 2 a shows a schematic illustration in the section of an optical sensor according to the invention in the region of FIG
  • FIG. 2b shows a perspective schematic illustration of an optical sensor according to the invention in the region of the fiber ends of the light guides
  • Fig. 3 is a schematic representation in section of a fiber
  • FIG. 4 shows a perspective view of an alternative embodiment of a sensor according to the invention in the region of the fiber ends; 5 shows a plan view of an alternative embodiment of a sensor according to the invention in the region of the fiber ends with a multiplicity of fibers;
  • FIGS. 6a-d are perspective views of alternative embodiments of differently shaped light exit and light entry surfaces
  • FIG. 7 is a schematic representation in section of an alternative embodiment of an optical sensor according to the invention in the region of the sensor head;
  • FIG. 8 shows a schematic time-dependent sensor signal using a) a sensor according to the prior art and b) a sensor according to the invention.
  • FIG. 1a shows a schematic representation in section of an optical sensor in the region of the sensor head according to the prior art.
  • a ferrule 11 a first photoconductive fiber 1 with its fiber end 2 and a first fiber 1 arranged parallel to the second photoconductive fiber 4 are shown with a fiber end 5.
  • light 10 is emitted by the first fiber 1 at a light exit surface 3 in the direction of a membrane 8 and reflected at this.
  • a part of this light beam 10 finally enters a light entry surface 6 of the second fiber 4 and is forwarded to evaluate the light intensity.
  • the membrane 8 and the ferrule 11 with the two light-conducting fibers 1, 4 are held by a housing 9 in a given position.
  • the membrane 8 moves closer to the fiber ends 2, 5 of the fibers 1, 4. This changes the proportion of originally emitted by the first fiber 1 light 10, which is inserted into the second fiber 4 a occurs. On the basis of the forwarded by the second fiber 4 light intensity can be concluded that the currently prevailing pressure, since the irradiated by the first fiber 1 light intensity is known.
  • FIG. 1b shows the end of the ferrule 11 with the two fiber ends 2, 5, the light exit surface 3 of the first fiber 1 and the light entry surface 6 of the second fiber 4 in a perspective illustration according to the prior art.
  • the end of the ferrule is ground flat as a whole, so that the light exit surface 3 and the light entry surface 6 are both in a plane that runs parallel to the membrane 8.
  • Fig. 2a the same arrangement as shown in Fig. Ia is shown, with the difference that the light entrance surface 3 and the light exit surface 6 are arranged facing away from each other. They are not, as in FIG. 1 a, on a plane that runs parallel to the membrane, but are inclined at an angle ⁇ to it.
  • the emerging light beam 10 is refracted at the light exit surface 3 of the fiber 1 against the center of the ferrule 11 and reflected on the membrane 8 in the direction of the light entry surface 6. Since the entry angle is favorable, a light beam 10 reaching the light entry surface 6 is transmitted in the second fiber 4. But it is crucial that the amount of light of the incoming light beam 10 depends strongly on the membrane position and changes in proportion to this.
  • the useful signal is amplified in comparison to the offset and the quality of the measurement is increased.
  • the distance of the membrane 8 to the fiber ends 2, 5 and the angle ⁇ are optimized according to various aspects.
  • the refractive indices on both sides of the light exit surface 3 and of the light entry surface 6 define the angle of the total reflection which sets a limit to the entry and exit angles.
  • the difference caused by the different membrane positions of the light occurring at the light entry surface 6 should have the highest possible dynamics. This means that the intensity of the light 10 arriving in the second fiber 4 varies as much as possible by changing the position of the membrane 8.
  • FIG. 2b shows the end of the ferrule 11 with the two fiber ends 2, 5, the light exit surface 3 of the first fiber 1 and the light entry surface 6 of the second fiber 4 in a perspective view in an embodiment according to the invention.
  • the end of the ferrule 11 is ground in this embodiment in a roof joint, each of the fiber ends 2, 5 ends on a different roof surface.
  • the fiber ends 2, 5 are arranged symmetrically with respect to a median plane 14 of the sensor.
  • the ridge of the roof Schliffs forms this central plane 14.
  • a further preferred embodiment consists in that the light exit surface 3 and the light entry surface 6 in two levels 12, 13 are located. These planes 12, 13 describe in Fig. 2b, the two roof surfaces of the roof cut.
  • the angle ⁇ between the surfaces of the roof cut and a plane parallel to the membrane 8 should be as steep as possible, but without total reflection occurring at the light exit surface 3 or the light entry surface 6. Angles between 20 and 40 °, in particular between 25 and 35 ° have proven to be particularly suitable.
  • FIG. 8 shows schematically a time-dependent sensor signal, in the first region 18 without load and in the second region 19 with full load, wherein in a) a sensor according to the prior art according to FIG. 1 and in b) a sensor according to the invention, for example according to FIG has been used.
  • the first area 18 shows an offset signal 20, the second area 19 a useful signal 21, which is superimposed on the offset signal 20.
  • the ratio of useful signal to offset signal in the arrangement according to the invention compared to the arrangement of the prior art could be improved by a multiple.
  • the sensor according to the invention is greatly improved with regard to load change drift, thermal shock and drift.
  • Fig. 3 illustrates a light-conducting fiber in cross-section.
  • the fiber consists of a light-conducting core 15 which is surrounded by a jacket 16. This jacket 16 is in turn surrounded by a protective layer 17.
  • a fiber should be used whose core 15 constitutes at least 40% of the total area or 60% of the total diameter of the fiber.
  • the fibers 1, 4 are guided in parallel, which simplifies their handling and processing and allows the miniaturization of the sensor.
  • the fibers 1, 4 are guided in a ferrule 11, which , however, is not absolutely necessary for carrying out the invention.
  • the symmetrical arrangement of the light exit surface 3 and the light entry surface 6 in the sensor is not absolutely necessary, but facilitates the assembly and the evaluation.
  • Fig. 4 An alternative to Fig. 2b embodiment is shown in Fig. 4.
  • the ferrule 11 has a conical tip, similar to a sharpened pencil with two adjacent mines as fibers 1, 4.
  • FIG. 5 A further alternative embodiment is shown in Fig. 5 as a plan view of a ferrule 11 with fiber ends 2, 5.
  • first and second fibers 1, 4 are shown, wherein in operation the first fibers 1 are the transmitting and the second fibers 4 are the receiving fibers.
  • These fibers 1, 4 are arranged on both sides of the median plane 14.
  • All advantageous embodiments, described for Fig. 2 apply analogously to this arrangement with a plurality of first and second fibers 1, 4.
  • all the light exit surfaces 3 and all light entry surfaces 6 may each be arranged in planes, preferably all the light exit surfaces 3 in a first plane 12th and all the light entry surfaces 6 lie in a second plane 13.
  • These first and second fibers 4 can each be in a row as shown on both sides and close to the Center plane 14, preferably touching each other, be arranged. They can also be arranged in several rows or randomly on both sides of the center line.
  • Fig. 6 indicates further embodiments, in perspective view.
  • the figures describe various cut shapes, each of which, as shown, only one fiber per non-planar surface 12 ', 13', or, as shown in Fig. 5, a plurality of fibers per non-planar surface 12 ', 13' may be arranged.
  • the above-mentioned preferred arrangements and embodiments apply analogously.
  • FIG. 6a a concave cut is shown in FIG. 6a and a substantially convex cut is shown in FIG. 6b, in which the surfaces 3 and 6 are located.
  • the surfaces 3 and 6 are shaped to be concave (Fig. 6c) or convex (6d) segments of cylinders whose axes cross the median plane 14, or concave (Fig. 6c) or convex (6d) segments of spheres.
  • FIG. 7 shows a schematic representation in the section of an alternative embodiment of an optical sensor according to the invention in the region of the sensor head. Unlike in Fig. 2a are in this embodiment, the ends of the first fiber 1 and the second fiber 4 in the same plane, parallel to the diaphragm 8. Subsequently, at these fiber ends 2 ', 5', a light-conducting insert body 7 is arranged.
  • This insert 7 fulfills the same function as the fiber ends 2, 5 of the arrangement in Fig. 2a, which are integrally connected to the two fibers 1, 4.
  • the light exit surface 3 'and the light entry surface 6' of the insert body are arranged facing away from each other as in the other described arrangements.
  • the beam path in this alternative embodiment is substantially the same as in the previously described arrangement and has the same advantages as described.
  • the beam path in the region of the insert body is merely somewhat conical, since the reflective sidewalls of a light guide in the area of the insert body 7 are missing. All embodiments described above, in particular those described in Figures 4-6, can be correspondingly achieve with an insert body 7 with the same advantages described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Drucksensor beruhend auf Lichtintensitätsmessungen, umfassend mindestens eine Membran 8 sowie zwei parallele optische Fasern 1, 4. Mindestens eine erste Faser 1 weist ein Faserende 2 und eine Lichtaustrittsfläche 3, 3' auf zum Aussenden von Licht 10 in Richtung der Membran 8, und mindestens eine zweite Faser 4 weist ein Faserende 5 mit einer Lichteintrittsfläche 6, 6' auf zum Aufnehmen und Weiterleiten des an der Membran 8 reflektierten Lichts 10. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die Lichtaustrittsfläche 3, 3' und die Lichteintrittsfläche 6, 6' der beiden Fasern 1, 4 voneinander abgewandt angeordnet sind. Dadurch wird in Gebrauch der Strahlengang des Lichts 10 derart geändert, dass der von der empfangenden Faser 4 aufgenommene Lichtanteil stark von der Membranposition abhängt.

Description

OPTISCHER DRÜCKSENSOR MIT MINDESTENS ZWEI OPTISCHEN FASERN
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen optischen Drucksensor beruhend auf Lichtintensitätsmessungen, umfassend mindestens eine Memb- ran sowie mindestens eine erste optische Faser und eine Lichtaustrittsfläche, sowie mindestens eine zur ersten optischen Faser parallel angeordnete zweite optische Faser, und eine Lichteintrittsfläche, wobei ein Lichtstrahl von der ersten Faser über die Lichtaustrittsfläche zur Membran geleitet und an dieser reflektiert werden kann, und wobei der reflektierte Lichtstrahl über die Lichteintrittsfläche in die zweite Faser eindringen und in dieser weitertransportiert werden kann.
Stand der Technik
Optische Sensoren dieser Art werden beispielsweise für Moto- rendruckmessungen verwendet und für diesen Zweck beispielsweise in Standartzündkerzen eingebaut. Andere Modelle werden beispielsweise in miniaturisierten Düsendrucksensoren verwendet. Bei solchen Sensoren wird Licht von einer ersten Faser zu einer Membran ausgesandt. Diese Membran ist je nach dem, welcher Druck von der anderen Seite her auf sie einwirkt, an einer anderen Position, das heisst näher oder weiter entfernt von der aussendenden Faser. Das Licht wird nun an der Membran reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts trifft auf die zweite Faser, welches das Licht zu einem Messgerät weiterleitet, in welchem diese Lichtintensität des Lichts gemessen wird. Anhand der gemessenen Lichtintensität kann schliesslich auf die Position der Membran bezüglich der optischen Fasern geschlossen werden und somit auf den zu dieser Zeit der Messung herrschenden Druck an der Membran. Nachteilig an solchen Systemen ist, dass ein kleines Signal einem riesigen Offset überlagert ist. Kleinste Störungen dieses Offsets resultieren daher in massiven Fehlern im gemessenen Drucksignal .
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Drucksensor eingangs beschriebener Art anzugeben, der unempfindlicher ist gegenüber Lastwechseldrift, Thermoschock und Drift.
Damit Sensoren beispielsweise in Standartzündkerzen verwendet werden können, ist ein geringer Durchmesser gefordert. Die angestrebte Miniaturisierung des gesamten Sensordurchmessers von <2mm, bald schon <1.5mm oder <lmm, stellt somit eine fortwährende Herausforderung dar.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen des unabhängigen Patentanspruchs .
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die Lichtaustrittsfläche und die Lichteintrittsfläche der beiden Fasern voneinander abgewandt angeordnet sind. Der Strah- lengang des Lichts wird derart geändert, dass im Gebrauch der von der empfangenden Faser 4 aufgenommene Lichtanteil stark von der Membranposition abhängt .
Zudem kann die Membran dank dem günstigen Strahlengang nahe an den Faserenden angeordnet werden, sodass ein grosserer Anteil der Lichtintensität verwendet werden kann. Dadurch wird die Dynamik gegenüber Störungen vergrössert. Zudem ist die Varianz der Lichtintensität linear zum beaufschlagten Druck. Am einfachsten wird die Erfindung durch einen Dachschliff einer Ferrule erreicht, welche diese zwei Fasern beinhaltet, wobei die Lichtaustrittsfläche und die Lichteintrittsfläche auf je einer Dachseite des Schliffs angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
Fig. Ia eine schematische Darstellung im Schnitt eines optischen Sensors im Bereich des Sensorkopfes nach dem Stand der Technik;
Fig. Ib eine perspektivische schematische Darstellung eines optischen Sensors nach dem Stand der Technik im Bereich der Faserenden der Lichtleiter;
Fig. 2a eine schematische Darstellung im Aufschnitt eines er- findungsgemässen optischen Sensors im Bereich des
Sensorkopfes;
Fig. 2b eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemässen optischen Sensors im Bereich der Faserenden der Lichtleiter;
Fig. 3 eine schematische Darstellung im Schnitt einer Faser;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer alternative Ausführungsform eines erfindungsgemässen Sensor im Bereich der Faserenden; Fig. 5 eine Draufsicht einer alternative Ausführungsform eines erfindungsgemässen Sensors im Bereich der Faserenden mit einer Vielzahl von Fasern;
Fig. βa-d perspektivische Ansichten von alternativen Ausfüh- rungsformen von verschieden geformten Lichtaustrittsund Lichteintrittsflächen;
Fig. 7 eine schematische Darstellung im Aufschnitt einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemässen optischen Sensors im Bereich des Sensorkopfes;
Fig. 8 ein schematisches zeitabhängiges Sensorsignal unter Verwendung a) eines Sensors nach dem Stand der Technik und b) eines erfindungsgemässen Sensors.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Bezugszeichen wurden in allen Zeichnungen beibehalten.
Die Fig. Ia zeigt eine schematische Darstellung im Schnitt eines optischen Sensors im Bereich des Sensorkopfes nach dem Stand der Technik. In einer Ferrule 11 sind eine erste lichtleitende Faser 1 mit ihrem Faserende 2 sowie eine zur ersten Faser 1 parallel angeordnete zweite lichtleitende Faser 4 mit einem Faserende 5 dargestellt. Im Betrieb wird Licht 10 durch die erste Faser 1 an einer Lichtaustrittsfläche 3 in Richtung einer Membran 8 ausgesandt und an dieser reflektiert. Ein Teil dieses Lichtstrahls 10 tritt schliesslich in eine Lichteintrittsfläche 6 der zweiten Faser 4 ein und wird zur Auswertung der Lichtintensität weitergeleitet. Die Membran 8 sowie die Ferrule 11 mit den beiden Licht leitenden Fasern 1, 4 werden von einem Gehäuse 9 in einer gegebenen Position festgehalten. Je nach dem, wie hoch der Druck ist, der von ausserhalb des Gehäuses 9 auf die Membran 8 wirkt, verschiebt sich die Membran 8 näher zu den Faserenden 2, 5 der Fasern 1, 4. Dadurch verändert sich der Anteil des ursprünglich durch die erste Faser 1 ausgesandten Lichtes 10, der in die zweite Faser 4 ein- tritt. Anhand der durch die zweite Faser 4 weitergeleiteten Lichtintensität lässt sich auf den aktuell herrschenden Druck schliessen, da die durch die erste Faser 1 eingestrahlte Lichtintensität bekannt ist.
Die Fig. Ib zeigt das Ende der Ferrule 11 mit den beiden Fa- serenden 2, 5, der Lichtaustrittsfläche 3 der ersten Faser 1 sowie der Lichteintrittsfläche 6 der zweiten Faser 4 in einer perspektivischen Darstellung nach dem Stand der Technik. Das
Ende der Ferrule ist als Ganzes flach geschliffen, sodass auch die Lichtaustrittsfläche 3 und die Lichteintrittsfläche 6 bei- de in einer Ebene liegen, die parallel zur Membran 8 verläuft. "
In der Fig. 2a ist dieselbe Anordnung wie in der Fig. Ia dargestellt, mit dem Unterschied, dass die Lichteintrittsfläche 3 und die Lichtaustrittsfläche 6 voneinander abgewandt angeordnet sind. Sie befinden sich nicht, wie in der Fig. Ia, auf ei- ner Ebene, die parallel zur Membran verläuft, sondern sind zu dieser in einem Winkel α geneigt. Der austretende Lichtstrahl 10 wird an der Lichtaustrittsfläche 3 der Faser 1 gegen die Mitte der Ferrule 11 gebrochen und an der Membran 8 in Richtung der Lichteintrittsfläche 6 reflektiert. Da der Eintritts- winkel günstig ist, wird ein die Lichteintrittsfläche 6 erreichender Lichtstrahl 10 in der zweiten Faser 4 transmittiert . Entscheidend ist aber, dass die Lichtmenge des eintretenden Lichtstrahls 10 stark von der Membranposition abhängt und sich proportional zu dieser verändert.
Die beiden Flächen 3 und 6 sind dann von einander abgewandt, wenn ihre inneren Flächen einander zugewandt sind. Insbesonde- re sind parallele Flächen einander weder zu- noch abgewandt. In den Figuren 2, 4 und 6 sind verschiedene Beispiele angegeben, was unter „abgewandt" zu verstehen ist.
Durch die Anordnung der Lichtaustrittsfläche 3 und der Licht- eintrittsflache 6 der Faserenden 2, 5 wird das Nutzsignal im Vergleich zum Offset verstärkt und die Qualität der Messung erhöht. Der Abstand der Membran 8 zu den Faserenden 2, 5 sowie der Winkel α werden nach verschiedenen Gesichtspunkten optimiert. Zum einen definieren die Brechungsindizes beidseitig der Lichtaustrittsfläche 3 sowie der Lichteintrittsfläche 6 den Winkel der Totalreflexion, der dem Eintritts- und dem Austrittswinkel eine Grenze setzen. Zum anderen soll der durch die unterschiedliche Membranpositionen bedingte Unterschied des an der Lichteintrittsfläche 6 auftretenden Lichts eine möglichst hohe Dynamik aufweisen. Das heisst, dass die Intensität des in der zweiten Faser 4 eintreffenden Lichts 10 möglicht stark variiert durch eine Änderung der Position der Membran 8.
Die Fig. 2b zeigt das Ende der Ferrule 11 mit den beiden Fa- serenden 2, 5, der Lichtaustrittsfläche 3 der ersten Faser 1 sowie der Lichteintrittsfläche 6 der zweiten Faser 4 in einer perspektivischen Darstellung in einer erfindungsgemässen Ausführung. Das Ende der Ferrule 11 ist in dieser Ausführung in einem Dachschliff geschliffen, wobei jedes der Faserenden 2, 5 auf einer anderen Dachfläche endet. Die Faserenden 2, 5 sind symmetrisch bezüglich einer Mittelebene 14 des Sensors angeordnet. In dieser Ausführungsform bildet der First des Dachschliffs diese Mittelebene 14. Vorzugsweise sind ' die Faserenden 2, 5 nahe aneinander, wenn möglich berührend.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass sich die Lichtaustrittsfläche 3 und die Lichteintrittsfläche 6 in zwei Ebenen 12, 13 befinden. Diese Ebenen 12, 13 beschreiben in der Fig. 2b die beiden Dachflächen des Dachschliffs.
Der Winkel α zwischen den Flächen des Dachschliffs und einer Ebene parallel zur Membran 8 sollte möglichst steil sein, ohne dass jedoch Totalreflexion an der Lichtaustrittsfläche 3 oder der Lichteintrittsfläche 6 auftritt. Winkel zwischen 20 und 40° insbesondere zwischen 25 und 35° haben sich als besonders geeignet erwiesen.
Fig. 8 zeigt schematisch ein zeitabhängiges Sensorsignal, im ersten Bereich 18 ohne Last und im zweiten Bereich 19 mit Volllast, wobei in a) ein Sensor nach dem Stand der Technik gemäss Fig. 1 und in b) ein erfindungsgemässer Sensor beispielsweise gemäss Fig. 2 verwendet wurde. Der erste Bereich 18 zeigt ein Offsetsignal 20, der zweite Bereich 19 ein Nutz- signal 21, das auf den Offsetsignal 20 überlagert ist.
Es ist ersichtlich, dass das Verhältnis von Nutzsignal zu Offsetsignal in der erfindungsgemässen Anordnung gegenüber der Anordnung aus dem Stand der Technik um ein Vielfaches verbessert werden konnte. Dadurch ist der erfindungsgemässe Sensor bezüglich Lastwechseldrift, Thermoschock und Drift stark verbessert .
Fig. 3 stellt eine Licht leitende Faser im Querschnitt dar. Die Faser besteht aus einem Licht leitenden Kern 15, der von einem Mantel 16 umgeben ist. Dieser Mantel 16 ist wiederum von einer Schutzschicht 17 umgeben. In der erfindungsgemässen Ausführung sollte eine Faser verwendet werden, dessen Kern 15 mindestens 40% der Gesamtfläche oder 60% des Gesamtdurchmessers der Faser ausmacht.
In den anderen Figuren als Figur 3 ist der Einfachheit halber jeweils nur der Kern 15 einer Faser 1, 4 dargestellt, ohne Mantel und Schutzschicht. Sich berührende Fasern 1, 4 haben daher in den Darstellungen immer einen Abstand der Doppelten Mantelstärke mit der Schutzschicht.
Die Fasern 1, 4 sind parallel geführt, was ihre Handhabung und Bearbeitung vereinfacht sowie die Miniaturisierung des Sensors ermöglicht. In einer bevorzugten, beispielsweise in Fig. 2b dargestellten Ausführung sind die Fasern 1, 4 in einer Ferrule 11 geführt, was, allerdings nicht zwingend nötig ist zum Ausführen der Erfindung. Auch die symmetrische Anordnung der Lichtaustrittsfläche 3 und der Lichteintrittsfläche 6 im Sensor ist nicht zwingend nötig, erleichtert aber die Montage und die Auswertung.
Eine zu Fig. 2b alternative Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform weist die Ferrule 11 eine kegelförmige Spitze auf, ähnlich eines gespitzten Bleistiftes mit zwei nebeneinander angeordneten Minen als Fasern 1, 4.
Eine weitere alternative Ausführungsform ist in Fig. 5 als Draufsicht auf eine Ferrule 11 mit Faserenden 2, 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind mehrere oder eine Viel- zahl von ersten und zweiten Fasern 1, 4 dargestellt, wobei im Betrieb die ersten Fasern 1 die sendenden und die zweiten Fasern 4 die empfangenden Fasern sind. Diese Fasern 1, 4 sind beidseitig der Mittelebene 14 angeordnet. Sämtliche vorteilhafte Ausgestaltungen, beschrieben für Fig. 2, gelten analog für diese Anordnung mit mehreren ersten und zweiten Fasern 1, 4. Insbesondere können alle Lichtaustrittsflächen 3 und alle Lichteintrittsflächen 6 jeweils in Ebenen angeordnet sein, wobei vorzugsweise alle Lichtaustrittsflächen 3 in einer ersten Ebene 12 und alle Lichteintrittsflächen 6 in einer zweiten E- bene 13 liegen. Diese ersten 1 und zweiten Fasern 4 können jeweils in einer Reihe wie dargestellt beidseitig und nahe der Mittelebene 14, vorzugsweise berührend aneinander, angeordnet sein. Sie können auch in mehreren Reihen oder ungeordnet beidseitig der Mittellinie angeordnet sein.
Fig. 6 gibt weitere Ausführungsformen an, in perspektivischer Darstellung. Die Figuren beschreiben verschiede Schliffformen, wobei jeweils, wie dargestellt, nur eine Faser pro nicht ebener Fläche 12', 13', oder, analog der Darstellung in Fig. 5, mehrere Fasern pro nicht ebener Fläche 12', 13' angeordnet sein können. Die oben genannten bevorzugten Anordnungen und Ausgestaltungen gelten analog.
In diesen Darstellungen sind in Fig. 6a ein konkaver Schliff und in Fig. 6b ein im wesentlichen konvexer Schliff dargestellt, in denen sich die Flächen 3 und 6 befinden. In Fig. 6c und 6d sind die Flächen 3 und 6 derart geformt, dass sie kon- kave (Fig. 6c) oder konvexe (6d) Segmente von Zylindern darstellen, deren Achsen die Mittelebene 14 kreuzen, oder konkave (Fig. 6c) oder konvexe (6d) Segmente von Kugeln.
All diese hier beschriebenen Schliffe sind einfach herzustellen, wenn die Fasern (1, 4) durch die Ferrule (11) gehalten wird. Ohne einen entsprechenden Halt wäre ein erfindungsgemäs- ser Sensor speziell in der erwähnten, geforderten Miniaturausführung schwer herstellbar. Ein weiterer Vorteil der Ferrule (11) ist der Schutz der Faserenden bei starken Vibrationen, wie sie in Motoren vorkommen.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung im Aufschnitt einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemässen optischen Sensors im Bereich des Sensorkopfes. Anders als in Fig. 2a liegen in dieser Ausführungsform die Enden der ersten Faser 1 und der zweiten Faser 4 in derselben Ebene, parallel zur Membrane 8. Anschliessend an diese Faserenden 2', 5' ist ein Licht leitender Einsatzkörper 7 angeordnet. Dieser Einsatzkör- per 7 erfüllt dieselbe Funktion wie die Faserenden 2, 5 der Anordnung in Fig. 2a, welche einstückig mit den beiden Fasern 1, 4 verbunden sind. Insbesondere sind die Lichtaustrittsfläche 3' und die Lichteintrittsfläche 6' des Einsatzkörpers e- benso voneinander abgewandt angeordnet wie in den anderen beschriebenen Anordnungen. Somit ist der Strahlengang in dieser alternativen Ausführungsform im wesentlichen gleich wie in der bisher beschriebenen Anordnung und weist dieselben beschriebenen Vorteile auf. Der Strahlengang im Bereich des Einsatzkör- pers ist lediglich etwas kegelförmig, da die reflektierenden Seitenwände eines Lichtleiters im Bereich des Einsatzkörpers 7 fehlen. Sämtliche vorgängig beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere die in den Figuren 4-6 beschriebenen, lassen sich entsprechend mit einem Einsatzkörper 7 erzielen mit denselben beschriebenen Vorteilen.
Bezugszeichenliste
1 Erste Faser
2 2' Faserende einer ersten Faser
3 3' Lichtaustrittsfläche 4 Zweite Faser
5 5' Faserende einer zweiten Faser
6 6' Lichteintrittsfläche
7 Licht leitender Einsatzkörper
8 Membran 9 Gehäuse
10 Licht, Lichtstrahl
11 Ferrule
12 12' Erste Ebene
13 13' Zweite Ebene 14 Mittelebene
15 Kern
16 Mantel
17 Schutzschicht
18 Erster Bereich, ohne Last 19 Zweiter Bereich, mit Volllast
20 Offsetsignal
21 Nutzsignal

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Drucksensor beruhend auf Lichtintensitätsmessungen, umfassend mindestens eine Membran (8) sowie mindestens eine erste optische Faser (1) und eine Lichtaustrittsfläche (3, 3')/ sowie mindestens eine zur ersten optischen Faser (1) parallel angeordnete zweite optische Faser (4), und eine Lichteintrittsfläche (6, 6'), wobei ein Lichtstrahl (10) von der ersten Faser (1) über die Lichtaustrittsfläche (3, 3') zur Membran (8) geleitet und an dieser reflektiert werden kann, und wobei der reflektierte Lichtstrahl (10) über die Lichteintrittsfläche (6, 6r ) in die zweite Faser (4) eindringen und in dieser weitertransportiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (3, 3') und die Lichteintrittsfläche (6, 6') voneinander abgewandt angeordnet sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (3, 3') ein Faserende (2) der ersten Faser (1) und/oder die Lichteintrittsfläche (6, 6') ein Fa- serende (5) der zweiten Faser (4) ist.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Faserende (2) der ersten Faser (1) und der Lichtaustrittsfläche (3, 3') und/oder zwischen einem Faserende (5) der zweiten Faser (4) und der Lichteintrittsflä- che (6, 6' ) ein Licht leitender Einsatzkörper (7) angeordnet ist.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1, 4) in einer Ferrule (11) geführt sind.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (3, 3') und die Lichteintrittsfläche (β, 6') symmetrisch im Sensor angeordnet sind.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere erste Fasern (1) zum Aussenden von Licht (10) und/oder mehrere zweite Fasern (4) zum Empfangen von Licht (10) .
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Faserende (2) einer ersten Faser (1) spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene (14) zu einem Faserende (5) einer zweiten Faser (4) angeordnet ist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich jede Lichtaustrittsfläche (3, 3') sowie jede Lichteintrittsfläche (6, 6') in einer Ebene befindet .
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Lichtaustrittsflächen (3, 3') in einer ersten Ebene (12, 12') sowie alle Lichteintritts- flächen (6, 6') in einer zweiten Ebene (13, 13') befinden.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Faserende (2) einer ersten Faser (1) nahe an einem Faserende (5) einer zweiten Faser (5), vorzugsweise berührend an diesem, angeordnet ist.
11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (3, 3') und die Lichteintrittsfläche (6, 6') einen Winkel zwischen 20° und 40°, vorzugsweise zwischen 25° und 35° zur Membran (8) aufweisen .
12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede optische Faser (1, 4) einen Kern (15), einen Mantel (16) und eine Schutzschicht (17) um- fasst, wobei die Fläche des Kerns (15) mindestens 40% der Fläche der gesamten Faser (1, 4) aufweist.
13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensordurchmesser kleiner als 2mm, vorzugsweise kleiner als 1.5 mm ist.
14. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch die Verwendung in Standartzündkerzen und/oder für Motorendruckmessungen.
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