DE1264537B - Vorrichtung zum Messen von kleinen Verschiebungen eines nahen Objektes durch Wellenreflexion - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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

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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 E_r und die reflektierte Welle Ε_σ 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 E_r 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-

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)

Patentansprüche:

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 (E_r) 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;

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.

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