DE1264537B - Vorrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen eines nahen Objektes durch Wellenreflexion - Google Patents
Vorrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen eines nahen Objektes durch WellenreflexionInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
GOIs
HOIq
Deutsche Kl.: 21 a4 - 48/61
Nummer: ' 1264 537
Aktenzeichen: B 58940IX d/21 a4
Anmeldetag: 11. August 1960
Auslegetag: 28. März 1968
Es ist bekannt, das bekannte optische Michelson-Interferometer
zur Verwendung für Zentimeterwellen nutzbar zu machen, wobei in einem magischen T ein
Phasenvergleich zwischen einer durch einen Hohlleiter direkt übertragenen Zentimeterwelle und einer
an einem Meßobjekt reflektierten Zentimeterwelle durchgeführt wird. An dem Ausgang des magischen
T ist ein Detektor angeschlossen, durch den die Maxima und Minima beim axialen Verschieben der
Reflexionsfläche beispielsweise mittels einer von Hand einstellbaren Mikrometerschraube angezeigt
werden. Mit dem bekannten Interferometer können Wellenlängenbestimmungen durchgeführt werden sowie
Messungen der Dielektrizitätskonstante von in Flächenform vorliegenden Materialien oder Messungen
des Reflexionsvermögens von Verbundschichten u. ä. Je nach Reflexionsvermögen des Meßobjekts
wird dieses entweder unmittelbar in den Strahlengang des Interferometers gebracht oder selbst als Reflexionsfläche
verwendet. Um die Messungen durchführen zu können, muß jedoch die Reflexionsfläche
um die zu messenden Beträge verschoben und diese Meßwerte an der Mikrometerschraube abgelesen
werden, so daß.sich die bekannte Einrichtung nicht zum Messen von stetigen oder plötzlichen Lageänderungen
des Meßobjekts eignet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, in einfacher und zweckmäßiger Weise
genaue Messungen von Vibrationen u. dgl. periodischen Entfernungsänderungen eines Meßobjekts zu
erhalten.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zum Messen von kleinen
Verschiebungen eines nahen Objekts durch Wellenreflexion, bei der die Phasenlage der von dem einen
Brennpunkt eines Antennenreflektors abgestrahlten Hochfrequenzwelle mit der an der Antenne aufgenommenen,
von dem Objekt reflektierten Hochfrequenzwelle in einem Phasenvergleichsgerät verglichen
wird, das ein dem Abstand des Objekts von einer Bezugsentfernung proportionales Ausgangssignal
liefert, dessen Amplitude den Abstand und dessen Polarität die Verschiebungsrichtung des Objekts
darstellt, erfindungsgemäß zur Messung von periodischen Abstandsänderungen des Objekts gegenüber
der Bezugsentfernung verwendet wird, wobei das Objekt in dem zweiten Brennpunkt des in
an sich bekannter Weise elliptisch ausgebildeten Antennenreflektors angeordnet ist.
Der sich durch die Erfindung einstellende Vorteil besteht darin, daß in einfacher und zweckmäßiger
Weise periodische bzw. laufende Lageveränderungen Vorrichtung zum Messen von kleinen
Verschiebungen eines nahen Objektes durch Wellenreflexion
Anmelder:
The Bendix Corporation,
New York, N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt, 2000 Hamburg 36, Neuer Wall 41
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. August 1959 (833 267)
eines Objekts meßbar sind, so z. B. Dickenänderungen eines an der Anordnung vorübergeführten Objekts
oder Konturveränderungen eines Werkstücks und Messungen der Frequenz und/oder der Amplitude
von Vibrationen.
Die Vorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, ist an sich auf anderen Anwendungsgebieten bekannt.
So sind zur Messung der Entfernung zwischen einem Flugzeug und einem Sender elliptische
Antennenreflektoren bekannt, in deren einem Brennpunkt der Sender angeordnet ist, während das Flugzeug
in dem anderen Brennpunkt des elliptischen Antennenreflektors fokussiert werden soll. Zum Fokussieren
ist es bekannt, die Entfernung zwischen dem ersten Brennpunkt und dem Antennenreflektor
durch eine elektrisch gesteuerte mechanische Vorrichtung einzustellen. Demgegenüber besteht ein
Vorteil der Erfindung darin, daß auf die mechanische Einstellung sowie den Aufwand für die elektrische
Steuerung verzichtet werden kann. Ferner ist es bei der Entfernungsmessung zwischen einem Flugzeug
und einem Sender bekannt, gewisse Lageveränderungen des Flugzeuges festzustellen. Dabei werden von
zwei getrennten Dipolen Hochfrequenzwellenbündel abgestrahlt, die von elliptischen Antennenreflektoren
auf verschieden weit entfernte Brennpunkte fokussiert werden. Dabei ist jedoch der Aufwand in der
Antennenkonstruktion beträchtlich. Ferner ist es in der Antennenmeßtechnik bekannt, einen Phasenvergleich
zwischen einer unmittelbar übertragenen und einer reflektierten Hochfrequenzwelle durchzuführen.
Dabei ist es auch bekannt, als Phasenvergleichsgerät
809 520/235
ein magisches T zu verwenden, dessen Eingangsannen das Bezugssignal und das reflektierte Signal
zugeführt werden, während an die Ausgangsarme des magischen T je ein Detektor angeschlossen ist, deren
Ausgangsspannungen addiert werden, um ein algebraisches Summenausgangssignal zu erhalten.
Mehrere Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 die schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die in Fig. 1
dargestellte Antenne,
F i g. 3, 3 a und 3 b Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Phasenvergleichsgeräts,
F i g. 4 die Darstellung einer gegenüber der Vorrichtung gemäß F i g. 1 abgewandelten Ausführung,
F i g. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
F i g. 7, 8 und 9 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Anwendung der Vorrichtung.
In Fig. 1 wird von dem Klystron 20 eine Schwingung mit einer Frequenz von beispielsweise 55 GHz
entsprechend einer Wellenlänge von etwa 0,55 cm erzeugt und auf die Leitung 22 gegeben, worauf sie
von dem Richtungskoppler 24 etwa im Verhältnis 10:1 zwischen der Antenne 26 und dem Phasenschieber
25 aufgeteilt wird. Die Antenne 26 besteht aus dem durch einen Abschnitt eines Ellipsoids 34
(Fig. 2) gebildeten Reflektor 28 und einer hakenförmigen
Einspeisung 30, deren Spitze in dem ersten Brennpunkt 32 des Ellipsoids 34 endet. Die über
einen zweiten, entgegengesetzt geschalteten Richtungskoppler 40 der Antenne 26 zugeführte direkte
Schwingung wird von der Einspeisung 30 abgestrahlt, an dem Reflektor 28 reflektiert und im zweiten
Brennpunkt 36 des Reflektors fokussiert. Etwa im zweiten Brennpunkt 36 ist das Objekt 38 angeordnet,
beispielsweise eine vibrierende Platte, deren Verschiebungen gemessen werden sollen.
Der Reflektor kann auch Teil eines elliptischen Zylinders sein, wobei die Einspeisung 30 rohrförmig
ist. Dies ist vorteilhaft, wenn das Objekt eine gewisse Ausdehnung senkrecht zu seiner Verschiebungsrichtung
besitzt.
Die an dem Objekt reflektierte Welle wird von der Einspeisung 30 empfangen; etwa die Hälfte der empfangenen
Energie wird von dem Richtungskoppler 40, dessen Koppelfaktor beispielsweise bei 3 db liegt,
über die Leitung 42 an das Phasenvergleichsgerät 44 geführt. Die Phasenverschiebung zwischen der direkten
Schwingung und der reflektierten Welle ist eine Funktion der Entfernung der Antenne von dem
Objekt. Die Verschiebung des Objekts gegenüber seiner Mittelstellung wird durch Phasenvergleich ermittelt.
Das Phasenvergleichsgerät 44 besteht aus einem bekannten magischen T. Die direkt vom Sender 20
kommende Schwingung Er und die reflektierte
Welle Εσ werden jeweils an die beiden Zentralarme
46 und 48 des magischen T herangeführt, während das Ausgangssignal von den beiden seitlichen Armen
52 und 54 abgenommen wird. In der Leitung für die direkte Schwingung ist der Phasenschieber 25 und
ein Dämpfungsglied 50 angeordnet. In Bezugsstellung des Objekts wird durch Änderung der Phase der
direkten Schwingung mittels des Phasenschiebers 25 das Ausgangssignal des Phasenvergleichsgeräts auf
Null eingestellt. Durch das Dämpfungsglied 50 kann die Amplitude der direkten Schwingung gleich der
Amplitude der reflektierten Welle eingestellt werden.
Gemäß Fig. 3a erhält man an dem seitlichen
Ann 52 des magischen T die Vektorsumme
F 4- F = F 0O ~ ßr Λι>
und gemäß F i g. 3 b die Vektordifferenz
wobei die Vektoren E1 und E2 aufeinander senkrecht
stehen und der Winkel φ den Phasenverschiebungswinkel darstellt. Die Ausgangssignale E1 und E2 wer-
den in den beiden gegensinnig geschalteten Dioden 56 und 58 gleichgerichtet und in den Widerständen
60 und 62 addiert, so daß sich am Punkt 64 die resultierende Spannung ergibt, die über einen Verstärker
66 an den Ausgang 68 gelangt. Der Verlauf des Effektivwertes der Spannungen E1 und E2 in Abhängigkeit
vom Phasenverschiebungswinkel φ, ά. h. also in Abhängigkeit vom Abstand des Objekts
gegenüber der Mittelstellung, ist in den Kurven 70 und 72 der Fig. 3 dargestellt. Der Verlauf der resultierenden
Spannung am Punkt 64 ist mit 74 dargestellt.
Durch die gegensinnig geschalteten Dioden 56 und 58 werden Störspannungen eliminiert. Die Verzögerung
der Umhüllenden der von dem Klystron 20 abgegebenen Wellen zwischen dem Ausgang des Klystrons
und den beiden zentralen Armen 46 und 48 des Phasenvergleichsgeräts 44, deren Wege durch die
gestrichelten Linien 76 und 78 wiedergegeben sind, müssen wenigstens annähernd gleich sein, damit das
durch Frequenzmodulation des Klystrons erzeugte niederfrequente Rauschen eliminiert wird.
F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die in dieser Figur
dargestellte Schaltungsanordnung ersetzt die Schaltung rechts der beiden Klemmen X und Y in
der Vorrichtung nach Fig. 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Oszillator 80 vorgesehen, der
eine Welle niedriger Frequenz erzeugt, die in den beiden Mischstufen 82 und 84 mit der direktken HF-Welle
Er und der reflektierenden HF-Schwingung E0
gemischt wird. Die von der Mischstufe 82 ausgehende Welle mittlerer Frequenz wird über den verstellbaren
Phasenschieber 88 und das verstellbare Dämpfungsglied 90 einem der beiden Eingänge des
Phasenvergleichsgeräts 86 und die von der Mischstufe 84 ausgehende Welle dem anderen Eingang zugeführt.
Die beiden Ausgänge des Phasenvergleichsgeräts 86, die im Punkt 96 über die beiden Widerstände
92 und 94 miteinander verbunden sind, geben ein Signal ab, das schließlich über den Verstärker 98
dem Ausgang 100 zugeführt wird. Durch die Zwischenfrequenz wird der Auflösungsgrad der Vorrichtung
wesentlich verbessert.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispie] der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält einen Klystronsender 120, der über einen Richtungskoppler 126 einerseits über die beiden Richtungskoppler 134 und 138 die elliptische Antenne 122 und an-
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispie] der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält einen Klystronsender 120, der über einen Richtungskoppler 126 einerseits über die beiden Richtungskoppler 134 und 138 die elliptische Antenne 122 und an-
dererseits über den verstellbaren Phasenschieber 128
einen Eingang 130 eines magischen T132 speist. Der andere Eingang 146 dieser Phasenvergleichsstufe
wird von dem Ausgang einer Schaltvorrichtung 144 gespeist, deren Eingang mit einer konstanten Frequenz
zwischen den beiden Klemmen 136 und 142 geschaltet wird. Die Klemme 136 ist direkt mit dem
Richtungskoppler 134 verbunden, während die Verbindung zwischen der Klemme 142 und dem Richtungskoppler
138 über einen verstellbaren Phasenschieber 140 geführt ist. Die Ausgänge der Phasenvergleichsstufe
132 sind wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 über zwei gegensinnig geschaltete
Gleichrichter 148, 150 und zwei Widerstände 152,154 in einem Punkt zusammengefaßt. Die Spannung
an diesem Punkt wird über einen Verstärker der Ausgangsklemme 156 zugeführt. Die Schaltvorrichtung
144 arbeitet mit einer niedrigen Frequenz, so daß sich die Spannung am Ausgang zwischen
einem festen Wert, der durch die Einstellung des Phasenschiebers 140 bestimmt wird, und einem variablen
Wert, der, wie oben bereits an Hand von Fig. 1 erläutert, eine Funktion des Abstands des
Objekts ist, ändert. Das Signal am Ausgang 156 ist ein Wechselstromsignal niedriger Frequenz, nämlich
der Arbeitsfrequenz der Schaltvorrichtung 144, dessen Amplitude der Phasenverschiebung proportional
ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat demnach Fig. 1 gegenüber den Vorteil, daß sich am Ausgang eine
Wechselspannung ergibt, die sich wesentlich einfacher verstärken läßt.
Gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
werden auf das Objekt 168 von der Antenne 166 zwei Wellen mit von den beiden Oszillatoren
160 und 162 erzeugten verschiedenen Frequenzen, die in der gemeinsamen Verbindung 164
zusammengefaßt werden, gerichtet. Die beiden durch den Richtungskoppler 170 abgenommenen direkten
Schwingungen werden in der Stufe 172 gemischt und über den verstellbaren Phasenschieber 174 einem der
beiden Eingänge des Phasenvergleichsgeräts 176, das der analogen Einrichtung in F i g. 1 entspricht, zugeführt.
Die beiden reflektierten Wellen werden über den Richtungskoppler 178 abgenommen, in der
Stufe 180 gemischt und dem anderen Eingang des Phasenvergleichsgeräts zugeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird der Bereich der durch die Vorrichtungen anzeigbaren Verschiebungen des Objekts
wesentlich vergrößert.
Die F i g. 7, 8 und 9 zeigen einige Anwendungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung. F i g. 7 zeigt
die Untersuchung einer vibrierenden Platte 104. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 102 ist so in der
Nähe der Platte angeordnet, daß die von der Antenne abgestrahlte Welle senkrecht auf die Oberfläche
der Platte auftrifft. Ein Oszillograph erlaubt es, gleichzeitig die Frequenz und die Amplitude der
Vibrationen abzulesen.
F i g. 8 zeigt die Messung der Dicke einer Platte 106, etwa eines Metallblechs. Das Blech bewegt sich
zwischen zwei Anzeigevorrichtungen 102. Die Anzeigen dieser beiden Vorrichtungen werden in einer
Vergleichsstufe 108 zusammengefaßt, deren Ausgangssignal dann einem entsprechend geeichten Meßinstrument
110 zugeführt wird.
F i g. 9 zeigt die Untersuchung der Konturen eines auf einer Drehbank 114 umlaufenden Teils 112. Die
erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung 102, deren Strahl punktförmig auf die zu untersuchende Kontur
des Teils 112 gerichtet ist, erlaubt es, das Profil dieses Teils mit großer Genauigkeit zu bestimmen.
Eine nach dem Nullverfahren arbeitende Variante der oben beschriebenen Vorrichtung erlaubt es, besonders
wenn die Verschiebung langsam vor sich geht, die Messung mit sehr großer Genauigkeit vorzunehmen.
Hierzu wird der Phasenschieber, etwa der Phasenschieber25 in Fig. 1, in entsprechenden Längeneinheiten
geeicht und bei der Anfangsstellung des zu untersuchenden Objekts so eingestellt, daß das
Signal am Ausgang 68 gleich Null wird. Hat sich nun das Objekt verschoben, wird der Phasenschieber erneut
verstellt, bis das Ausgangssignal wiederum gleich Null ist. Die aufgetretene Verschiebung ist
dann gleich der Differenz zwischen den beiden Ablesungen des Phasenschiebers.
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen eines nahen Objekts durch Wellenreflexion,
bei der die Phasenlage der von dem einen Brennpunkt eines Antennenreflektors abgestrahlten
Hochfrequenzwelle mit der an der Antenne aufgenommenen, von dem Objekt reflektierten
Hochfrequenzwelle in einem Phasenvergleichsgerät verglichen wird, das ein dem Abstand
des Objekts von einer Bezugsentfernung proportionales Ausgangssignal liefert, dessen
Amplitude den Abstand und dessen Polarität die Verschiebungsrichtung des Objekts darstellt, gekennzeichnet durch die Verwendung zur
Messung von periodischen Abstandsänderungen des Objekts gegenüber der Bezugsentfernung,
wobei das Objekt in dem zweiten Brennpunkt des in an sich bekannter Weise elliptisch ausgebildeten
Antennenreflektors (28) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (28) ein Teil
eines Ellipsoids ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor ein Teil eines
elliptischen Zylinders ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen einstellbaren
Phasenschieber (25), der zur Einstellung der Bezugsentfernung in dem Weg der vom Sender direkt
zum Phasenvergleichsgerät (44) geführten Schwingung angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenvergleichsgerät
(44) einen Wellenleiter in Form eines magischen T aufweist, bei dem die direkt vom Sender kommende Schwingung (Er) und die
reflektierte Welle (£„) jeweils an die beiden zentralen
Arme (48, 46) des magischen T herangeführt werden und das Ausgangssignal von wenigstens
einem der seitlichen Arme (52, 54) abgenommen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale von den
beiden seitlichen Armen des magischen T in entgegengesetztem Sinn gleichgerichtet und zu dem
resultierenden Ausgangssignal summiert werden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine in regelmäßigen
Zeitabständen betätigte Schaltvorrichtung (144), die mit einem der Eingänge des Phasenver-
IO
gleichsgeräts in Serie geschaltet ist, um ein
Weehselstromausgangssignal mit der Arbeitsfrequenz der Schalteinrichtung zu erzeugen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Ob^
jekt zwei Wellen (160, 162) verschiedener Frequenz gerichtet und die direkten und reflektierten
Schwingungen in Form ihrer Differenzfrequenz den entsprechenden Eingängen des Phasenver·*
gleichsgeräts (176) zugeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Sender und der Antenne ein erster Richtungskoppler (24) zur Zuführung der direkten Schwin·=
gung zu dem einen Eingang des Phasenvergleiehsgeräts und ein zweiter Richtungskoppler
(40) angeordnet ist, der die reflektierte Welle dem anderen Eingang des Phasenvergleichsgeräts
zuführt.
10. Anwendung, der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung der Frequenz
und/oder der Amplitude der Schwingungen eines etwa in der Abstrahlriehtung der Hochfrequenz
schwingenden Objekts (104).
11. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung von Dickenänderungen
eines in zur Abstrahlrichtung der Hochfrequenzwelle etwa tangentialer Richtung vorbeibewegten Objekts (106), gegebenenfalls
durch Vergleich der Ausgangssignale zweier auf den beiden Seiten des Objekts angeordneter Vorrichtungen
(102).
12. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Messung von Veränderungen
in der Kontur eines etwa in Abstrahlriehtung der Hochfrequenzwelle rotierenden Objekts
(112).
In Betracht ge.ZQge.ne Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 729 948;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 029 238;
britische Patentschriften Nr. 576 941, 580 975,
966;
966;
IRE Transactions 1-6 (1957), 4 (Dezember), S. 238 bis 240;
Proceedings of the IRE, 37(1949), 11 (November), S. 1242 bis 1244.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.
80S 520/235 3.68 © Bundesdruckerei Berlin
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