DE2237032A1

DE2237032A1 - Winkelmesser

Info

Publication number: DE2237032A1
Application number: DE19722237032
Authority: DE
Inventors: Erik Kurt Ove Stenberg; Klas Rudolf Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Geotronics AB
Priority date: 1971-08-23
Filing date: 1972-07-28
Publication date: 1973-03-08
Also published as: SE355668B; DE2237032B2; CH562442A5; JPS5626804B2; JPS4830957A; FR2151356A5; DE2237032C3; IT965082B; NL7210296A; CA975553A; GB1396423A

Description

PATENTANWALT DIPL.-TNG. H. STROHSCHÄNK 8000 MÜNCHEN 60 ■ MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (0811) 881608

28.7.1972 -SFF(4) 190-1021P

AGA AKTIEBOLAQ, Lidingö 1 (Schweden)

Winkelmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelmesser mit einer bewegbaren Winkelmeßscheibe, die mit mindestens zwei Meßskalen versehen ist, die so angeordnet sind, daß ihre Lichtdurchlässigkeit bei der Bewegung der Winkelmeßscheibe an Fotodetektoren elektrische Meßsignale entstehen läßt, die in Abhängigkeit von der Bewegung der Winkelmeßscheibe variieren und von denen mindestens zwei etwa in Phasenquadratur zueinander stehen.

Ein bekannter Winkelmesser dieser Art weist eine kreisförmige Winkelmeßscheibe mit zwei Meßskalen auf, die mit Linienmustern versehen sind, die mittels zweier Detektoren zwei Impulssignalfolgen liefern, die in Phasenquadratur zueinander stehen. Die Anzahl der Linien je Umdrehung der Winkelmeßscheibe wird durch die Herstellungsart, den Scheibendurchmesser und die für die elektrooptische Signalerkennung erforderliche Lichtwellenlänge begrenzt. In vielen Fällen ist es erforderlich, eine Leseeinrichtung zu verwenden, die auch zwischen den Linien auf den Meßskalen zu interpolieren vermag. Das interpolationsfähige Signal wird bei dem bekannten Winkelmesser dadurch erhalten, daß mit Hilfe eines lokalen optischen Frequenzfilters das Bild zwischen diametral gegenüberliegenden Punkten auf der Winkelmeßscheibe übertragen wird und daß das Signal, in dem die Meßfrequenz der Winkelmeßscheibe fehlt, mit einem ungefilterten Signal verglichen wird, das

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unter den gleichen optischen Bedingungen erhalten worden ist. Dazu wird das gleiche optische Übertragungssystem für die Übertragung beider Signale benutzt. Jedes dieser Signale ist in seiner Ebene polarisiert. Die Winkellage dieser Ebenen ist jeweils um 90 gegeneinander verdreht. Dadurch wird es möglich, die beiden Signale in den Detektoren voneinander zu trennen und eines der beiden Signale als Bezugesignal zu verwenden.

Jedoch hat es sich bei dem bekannten Winkelmesser als schwierig erwiesen, ein Bezugssignal mit einer konstanten Beziehung zum Heßsignal zu erhalten. Dies liegt unter anderem an der Empfindlichkeit des Systems gegen Temperaturänderungen und an Ungleichheiten in den Fotodetektoren für den Empfang der verschiedenen Signale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelmesser der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sich ständig eine feste Beziehung zwischen Meßsignal und ^ezugssignal ergibt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer an die Fotodetektoren angeschlossenen elektrischen Auswerteschaltung für jedes ^eßsignal ein eigener Kanal zum Bilden des Mittelwertes für das jeweilige ^eßsignal vorgesehen ist, wobei das Meßsignal selbst und sein Mittelwert unter Einspeisung in eine Baustufe ihres jeweiligen Kanals ein in gleicher Meise in Abhängigkeit von dem jeweiligen Meßsignal variierendes Signal mit in etwa konstantem Gleichspannungsanteil bilden, das Signal aus einem oder mehreren Kanälen zur Bildung des Mittelwertes für das Meßsignal in jeweils einem anderen Kanal dient und das definierte Signal mit in etwa konstantem Gleichspannungsanteil aus mindestens einem Kanal so liegt, daß es sich zur Gewinnung eines Maßes für die Bewegung der Winkelmeßscheibe analysieren läßt.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Winkelmesser wird anders ale beim bekannten Winkelmesser anstelle der Bildung eines optischen Bezugssignals der Mittelwert des Meßsignals mit Hilfe elektrischer Baustufen gewonnen. Die Bildung dieses Mittelwertes erfolgt dabei so,

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daß die in Phasenquadratur zueinander stehenden Signale von beispielsweise zwei Meßskalen so verwendet werden, daß das eine Signal zur Bildung des Mittelwertes für das andere dient und umgekehrt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform für die Erfindung besteht die mit dem Meßsignal und seinem Mittelwert gespeiste Baustufe in jedem Kanal aus einem Differenzverstärker. Außerdem kann in Ausge-' staltung der Erfindung in jedem Kanal die Baustufe für die Bildung des Mittelwerts so angeordnet sein, daß sie die Amplitude des jeweiligen Meßsignals in dem Augenblick bestimmt, in dem das Signal mit in etwa konstantem Gleichspannungsanteil aus einem anderen Kanal, aas zu dem bestimmten Signal in etwa in Phasenquadratur steht, dessen Gleichspannungspegel schneidet, wodurch eine Halbierung der Summe zweier aufeinanderfolgender Amplitudenwerte den Mittelwert des Meßsignals darstellt.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht} es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch gehaltene.Übersicht über den Strahlengang des Lichts durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Winkelmesser,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für die erfindungsgemäß zur Verarbeitung der optischen Meßsignale vorgesehenen elektrischen Baustufen und

Fig. 3 einen Signaliaufplan für den elektrischen Aufbau in Fig.- 2. - "

In Fig. 1 beleuchtet eine Leuchtdiode 1 durch einen Kondensor 2 eine kreisringförmige Winkelmeßscheibe 3, die mit zwei Meßskalen H und 5 versehen ist. Die Meßskalen U und 5 bestehen jeweils aus alternierend aufeinanderfolgenden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Abschnitten, die in den beiden Meßskalen H und 5 so gegeneinander versetzt sind, daß sich bei der Umwandlung der optischen Signale in elektrische eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90° zwischen den von den beiden Meßskalen ·+ und 5 erhaltenen Signalen ergibt. Jede der Meßskalen H und 5 kann beispielsweise aus 10 000 Abschnitten bestehen.

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Das von der Leuchtdiode 1 ausgesandte Licht durchstrahlt den Kondensor 2 und wird dann beim Durchgang durch die in Rotation befindliche Winkelmeßecheibe 3 durch deren lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Abschnitte in den Meßskalen k und 5 moduliert. Anschließend wird das Licht mittels zweier Winkelprismen 6 und 10, zweier Lineensysterae 7 und 9 und eines Dachprismas δ zu einer diametral gegenüberliegenden Stelle der Winkelmeßecheibe 3 übertragen, an der es erneut durch die Meßskalen h und 5 hindurchgeht. Durch den doppelten Durchgang des Lichtes durch die Winkelmeßscheibe 3 bzw. die Meßskalen k und 5 läßt sich eine doppelt so große Auflösung erzielen, die Modulation des Lichtes durch die Winkelmeßecheibe 3 fällt also so aus, als ob das Licht einmal durch eine Winkelmeßscheibe hindurchgegangen wäre, deren Meßskalen in 20 000 Abschnitte unterteilt sind.

Dies ist von großem Vorteil, da einerseits eine hohe Auflösung erwünscht ist, andererseits aber die Herstellung einer Winkelmeßecheibe mit sehr fein, also in sehr viele Abschnitte unterteilten Meßskalen sowohl schwierig als auch teuer ist, da die Genauigkeit in der Teilung der Meßskalen die Genauigkeit für den gesamten Winkelmesser bestimmt.

Weiterhin durchquert das Licht eine Fokussierungelinse 11 und einen optischen Strahlteiler 12, der das durch die beiden nebeneinander angeordneten Meßskalen h und 5 hindurchgegangene Licht so weit auseinanderzieht, daß jeder der beiden so entstehenden Lichtstrahlen in einem eigenen und relativ großen Fotodetektor 15 bzw. 16 aufgefangen werden kann. Zwischen dem Strahlteiler 12 und jedem der Fotodetektoren 1^ und 16 ist jeweils eine weitere Fokussierungslinse 13 bzw. 1*t eingefügt.

An den Ausgängen der Fotodetektoren 15 und 16 entstehen auf diese Weise Signale, die in Abhängigkeit von der Rotation der Winkelmeßecheibe 3 variieren. Dank der Struktur der Meßskalen k und 5 auf der Winkelmeßecheibe 3 stehen diese Ausgangseignale der beiden Fotodetektoren 15 und 16 in Phaeenquadratur zueinander.

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In Fig. 2 speisen die beiden Fotodetektoren 15 und 16 mit ihren die Meßsignale darstellenden Ausgangssignalen eine elektrische Auswerteschaltung, die zwei Kanäle, für jedes Meßsignal einen Kanal, aufweist. In den beiden Kanälen werden die Meßsignale jeweils einem Differenzverstärker 20 bzw. 21 und einer Baustufe 22 bzw. 23 zugeführt, die der Mittelwertbildung für das Eingangssignal dienen. Die so gewonnenen Mittelwerte werden den jeweiligen Differenzverstärkern 20 bzw. 21 als zweite Eingangssignale zugeführt, und diese gewinnen daraus und aus den ihnen an ihren jeweils anderen Eingängen zugeführten Meßsignalen selbst Signale mit konstantem und beispielsweise dem Nullpegel entsprechendem Gleichspannungsanteil, die an ihren Ausgängen erscheinen.

Bei der Bildung dieser Mittelwerte werden die in Phasenquadratur zueinander stehenden Meßsignale kreuzweise verwendet. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel können die Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren 15 und 16 beispielsweise sinusförmig sein. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden das Ausgangssignal des Fotodetektors 15 mit sin \/' und das Ausgangssignal des Fotodetektors 16 mit cos y bezeichnet. Bei der Bildung des Mittelwertes für beispielsweise das Signal sin V in der Baustufe 22 wird das in Phasenquadratur dazu stehende Signal cos / so eingesetzt, daß seine Nulldurchgänge mit den Maxima bzw. Minima des Signals sin y zusammenfallen. Dazu wird das Signal cos V der Baustufe 22 zugeführt, nachdem es zum einen im Differenzverstärker 21 so aufbereitet worden ist, daß es einen definierten Nullpegel erhält, und nachdem es zum anderen eine Verarbeitung in einem Amplitudenbegrenzer 25 und in einer monostabilen Kippstufe 27 erfahren hat, die durch seine Nulldurchgänge getriggert wird. An den Nulldurchgängen des Signals cos ψ entsteht am Ausgang der monostabilen Kippstufe 27 ein kurzer Impuls, der die den Mittelwert für das Signal sin /^; bildende Baustufe 22 triggert, so daß sie die Amplitude des Signals sin ψ¹ in diesem Augenblick bestimmt. Die in der Baustufe 22 bestimmten Aeplitudenwerte für das Signal sin / stellen daher dank dessen Phasenverschiebung von 90 gegenüber dem Signal cos f die Maxima bzw» die Minima für das Signal sih /' dar» Anhand der Kenntnis dieser Amplitudenwerte bildet die Baustufe 22 den Mittelwert für das Signal sin */' und

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speist ihn am zweiten Eingang in den Differenzverstärker 20 ein, wodurch er dort den Nullpegel bildet, dem das Signal sin ^K/ überlagert ist. Der Mittelwert selbst wird so gebildet, daß zwei aufeinanderfolgende Amplitudenwerte addiert und die so gewonnene Summe halbiert wird.

Anschließend wird das Ausgangesignal des Differenzveretarkers 20 in einem Amplitudenbegrenzer Zh und einer monoetabilen Kippstufe 26 in der gleichen Weise verarbeitet, wie dies oben in Verbindung mit dem entsprechenden Signal im anderen Kanal beschrieben worden ist, so daß dieses so aufbereitete Ausgangssignal seinerseits die Baustufe 23 zu triggern vermag, in der dann der Mittelwert für das Signal cos / gebildet wird. Auf diese Weise wird eine kreuzweise Anlage der von den Fotodetektoren 15 und 16 gelieferten Meßsignale erreicht.

Unter der beispieleweisen Annahme, daß ein· drehung der Winkelmeßscheibe 3'¹I-OQ entspricht und daß nach den obigen Darlegungen jedes der Signale von den Fotodetektoren 15 und 16 nach einer Umdrehung der Winkelmeßecheibe 3 20000 Perioden umfaßt, ergibt sich so eine Genauigkeit von 0,01 , wenn zum Beispiel die Nulldurchgänge eines Signals gezählt werden. Wenn entsprechend der Darstellung in Fig. 2 beide Signale nach ihrem Durchgang durch die Amplitudenbegrenzer 2k bzw. 25 einem Hecnner 29 zugeführt und dort übereinander gespeichert und ihre Nulldurchgänge gespeichert werden, ergibt sich eine Genauigkeit von 0,005°. Wenn darüber hinaus die Kreuzungspunkte beider Signale gezählt werden, erhält man sogar die doppelte Genauigkeit, also eine Genauigkeit von 0,0025 · Das ^s0 ausgewertete Signal kann einer Ausleseeinrichtung JQ zugeführt werden, die beispielsweise die Anzahl der Nulldurchgänge und der Kreuzungspunkte der beiden gezählten Signale in digitaler Form ausgedrückt in Winkelgraden anzeigt, welche Anzeige dann die Drehung der Winkelmeßscheibe 3 wiedergibt.

Zur Erzielung einer sogar noch größeren Genauigkeit kann man beispielsweise die Ausgangssignale der Differenzverstärker 20 und 21 zusammen mit dnn Amplitudenwerten der jeweiligen Signale, die sich

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beispielsweise aus der Differenz zwischen dem Spitzenwert und dem Mittelwert für jedes Signal errechnen, einer elektrischen Baustufe 28 zuführen. Diese Amplitudenwerte können an den Baustufen 22 bzw. 23 abgenommen werden, welche die Mittelwerte bilden, aus denen diese Amplitudenwerte leicht abgeleitet werden können. Die elektrische Baustufe 28 wird auf diese Weise mit Sinus- und CosinusSignalen mit definiertem Nullpegel und mit den Amplitudenwerten der jeweiligen Signale gespeist. Mit Hilfe der Baustufe 28 läßt sich dann eine Interpolation für die Werte vornehmen, die zwischen den im Rechner 29 gespeicherten Werten liegen.

Dank der Tatsache, daß die Signale in den beiden Kanälen so gelegt sind, daß sie einander beeinflussen, kann es erforderlich sein, spezielle Vorkehrungen für das Anlaufen des oben beschriebenen Prozesses zu treffen. Solche Vorkehrungen können beispielsweise in der Bildung eines Bezugswertes für den Start des Prozesses bestehen. Die Einzelheiten solcher Vorkehrungen liegen jedoch nicht mehr im Bahmen dieser Erfindung, so daß sie hier auch nicht im einzelnen beschrieben werden.

In Fig. 3 sind die der Baustufe 28 zugeführten - gleichgerichteten Signale 31 und 32 schematisch veranschaulicht. Zu diesem Zwecke sind auch die entsprechenden Amplitudenwerte in der Schaltung verfügbar. Die Interpolation findet jeweils im - in Fig. 3 mit ausgezogenen Linien dargestellten - steilen Teil der entsprechenden Kurve statt, wobei jede Periode von 36O im elektrischen Signal auf diese Weise in 45 -Intervalle unterteilt wird. Der tatsächliche Wert liegt auf irgendeiner der in Fig. 3 voll ausgezogenen Linien, und diese Stellung wird mit der tatsächlichen Amplitude verglichen, aus der sich ein Winkelwert bestimmen läßt, der innerhalb dea richtigen ^5°-Intervalls, d. h. innerhalb des richtigen O,OO25°-Intervalls für die Drehung der Winkelmeßscheibe 3 liegt. In diesem Falle muß der Rechner 29 nur die Anzahl der vollen Perioden für das eine oder das andere der Sinus- und Cosinussignale bestimmen, wobei jeder vollen Periode ein Drehwinkel von 0,02° entspricht und eine genauere Abschätzung durch die Interpolation in der Baudtufe 28 erhalten wird.

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Die hier beschriebene Interpolationsmethode stellt nur ein Beispiel dafür dar, wie eine solche Interpolation vorgenommen werden kann, mit der im Prinzip jede beliebige Genauigkeit erzielt werden kann, die ihre Begrenzung jedoch durch die verbleibenden Baustufen in der Schaltung findet.

Der Interpolationswert aus der Baustufe 28 wird der Leeeeinrichtung 30 zugeführt, in der er mit dem vom Rechner 29 gelieferten Wert koordiniert wird. Die Baustufe 28 kann als eine Art Analog-Digital-Wandler betrachtet werden.

In einem System, in dem hohe Genauigkeit verlangt wird, muß es möglich sein, innerhalb einer Periode des Heßsignale zu interpolieren. Das bedeutet, das es möglich sein muß, den Momentanwert in eine bestimmte Beziehung zur Amplitude des Signals zu setzen. Da die abgegebenen Signale unter anderem mit der Temperatur und mit der Alterung variieren, muß ein Bezugssystem eingeführt werden, das den Hittelwert und die Spitzenamplitude des Heßsignals innerhalb des Bereichs berücksichtigt, wo die Winkelmeßscheibe 3 anhält. Dies erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe der oben beschriebenen Schaltung. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die für die Berechnung der Bewegung der Winkelmeßscheibe 3 verfügbaren Signale so genau sind, daß die Anwendbarkeit der Werte beispielsweise für Winkel, die der beschriebene Winkelmesser liefert, sehr hoch wird.

Die Erfindung ist nicht auf Winkelmesser mit einer kreisförmigen Winkelmeßscheibe beschränkt; auch eine beispielsweise gerade Winkelmeßscheibe mit linearer Bewegbarkeit ist dem Grundprinzip der Erfindung durchaus zugänglich. In diesem Falle gibt die analysierende elektrische Auewerteschaltung beispielsweise die Strecke mit hoher Genauigkeit an, längs der die Winkelmeßscheibe verschoben wird.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

/ 1 .^Winkelmesser mit einer bewegbaren Winkelmeßscheibej die mit mindestens zwei Meßskalen versehen ist, die so angeordnet sind, daß ihre Lichtdurchlässigkeit bei der Bewegung der Winkelmeßscheibe an Fotodetektoren elektrische Meßsignale entstehen läßt, die in Abhängigkeit von der Bewegung der Winkelmeßscheibe variieren und von denen mindestens zwei etwa in Phasenquadratur zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer an die Fotodetektoren (15 und 16) angeschlossenen elektrischen Auswerteschaltung (20 bis 30) für jedes Meßsignal ein eigener Kanal (20, 22, 24, 26 bzw. 21, 23, 25, 2?) zum Bilden des Mittelwertes für das jeweilige Meßsignal vorgesehen ist, wobei das M_eßsignal selbst und sein Mittelwert unter Einspeisung in eine Baustufe (20 bzw. 21) ihres jeweiligen Kanals ein in gleicher Weise in Abhängigkeit von dem jeweiligen Meßsignal variierendes Signal mit in etwa konstantem Gleichspannungsanteil bilden, das Signal aus einem oder mehreren Kanälen zur Bildung des Mittelwerts für das Meßsignal in jeweils einem anderen Kanal dient und das definierte Signal mit in etwa konstantem Gleiehspannungsanteil aus mindestens einem Kanal so liegt, daß es sich zur Gewinnung ©ines Maßes für die Bewegung der Winkelmeßscheibe (3) analysieren IaBt₀
2. Winkelmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dia sit dem Meßsignal und seinem Mittelwert gespeiste Baustufe (20; 21) in jedem Kanal aus einem Differenzverstärker besteht.

3· Winkelmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baustufen (22, 23) für die Bildung der Mittelwert® so ang@@rda@t sind, daß sie die Amplitude des. jeweiligen Meßsignals in dem Augenblick bestimmen, in dem das Signal mit in etwa konstantem Gleichspannungsanteil aus einem anderen Kanal, das zu dem bestimmten Signal in etwa in Phasen quadratur steht, dessen Gleichspannungspegel schneidet, wodurch eine Halbierung der Summe zweier aufeinanderfolgender Amplitudenwerte den Mittelwert des Meßsignals darstellt.

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