DE2844791A1

DE2844791A1 - Stellungsgeberanordnung

Info

Publication number: DE2844791A1
Application number: DE19782844791
Authority: DE
Inventors: Jacques Roger Chamuel
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1978-10-13
Publication date: 1979-04-26
Also published as: US4144574A; FR2406185B1; GB2006432A; GB2006432B; JPS5491256A; FR2406185A1

Description

Patentanwälte

Dipl-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19 JL Ό H H / iJ I

8 München 60

13. Oktober 1978

The Charles Stark Draper Laboratory, Inc., 555 Technology Square, Cambridge, Massachussetts 02139/V.St.A.

Unser Zeichen: C 3210

Stellungsgeberanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellungsgeberanordnung und zwar speziell auf Anordnungen, um lineare und Winkelpositionen in Mehrachsensysteinen mit einem Freiheitsgrad zu bestimmen.

In der USA-Patentschrift 4 035 762 ist eine derartige Anordnung beschrieben, mit der lineare und Winkelpositionen wirksam bestimmt werden können. Dort sind mehrere Ausführungsbeispiele zum Messen einer Position längs einer geraden oder gekrümmten Linie oder in einer Ebene oder einer anderen gekrümmten Oberfläche mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei annehmbaren Kosten beschrieben. Bei den in dieser Patentschrift

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beschriebenen Ausführungsbeispielen sind generell zwei relativ zueinander bewegbare Elemente notwendig. Bei einer speziellen Ausführung kann ein Element z.B. eine Treiberwandlereinrichtung und eine Verzögerungsleitung umfassen, die beide fest angeordnet sind,und ein zweites Element kann eine Empfängerwandlereinrichtung umfassen, die in bezug zu der fest angeordneten Treiberwandlereinrichtung und der Verzögerungsleitung bewegbar ist. Die Auflösung der Entfernungsbzw. Verschiebungsmessung hängt hierbei von der Phasenverschiebung ab, die bei einer kontinuierlichen elastischen Welle auftritt, die einmal entlang eines einzigen Verzögerungsleitungsgliedes in lediglich einer Richtung verläuft, die parallel zu der zu messenden Entfernung ist oder mit dieser zusammenfällt. Wenn eine Positionsbestimmung in bezug zu mehr als einer Achse erfordert wird, werden hierzu mehrere derartiger Verzögerungsglieder verwendet.

Es ist erwünscht, die Anzahl von Verzögerungsgliedern in Mehrachsensystemen zu verringern, um einmal deren Struktur soweit wie möglich zu vereinfachen und zum anderen die Kosten dadurch zu reduzieren, daß weniger Präzisionskomponenten verwendet werden, wobei gleichzeitig noch eine hohe Auflösung erreicht werden soll. Zudem ist es in Einachsenanwendungen wünschenswert, wesentlich größere Auflösungen als zur Zeit möglich zu erhalten, wobei trotzdem die gleichen Komponenten verwendet werden sollten, ohne etwa die Frequenz des Treibersignals oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Verzögerungsmittel zu ändern.

Gemäß der Erfindung ist hierfür eine Stellungsgeberanordnung vorgesehen, die einen unterteilten Meßfühler, wie z.B. ein Verzögerungsglied aufweist, das unter einem ausgewählten

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Winkel größer als 0° in bezug zu mindestens einer ausgewählten Richtung, längs der eine Stellung gemessen werden soll, angeordnet ist. Ferner ist eine Einrichtung zum Bestimmen der Position längs des unterteilten Elementes vorgesehen, z.B. eine Treiberwandlereinrichtung und eine Empfängerwandlereinrichtung, die längs des Verzögerungsgliedes verschiebbar ist, wobei von der Empfängerwandlereinrichtung die Verzögerung eines längs des Verzögerungsgliedes laufenden Signales und daraus die Längsposition bestimmt wird. Schließlich sind auf die derartige Positionsbestimmung ansprechende Einrichtungen vorgesehen, um aus der Positionsbestimmung die Position ii mindestens einer ausgewählten Richtung zu berechnen.

Die Erfindung ist speziell nützlich für Mehrachsen-Stellungsgeberanordnungen, bei denen z.B. ein einziges Verzögerungselement unter einem ausgewählten Winkel in bezug zu jeder von zwei Achsen positioniert werden kann, so daß lineare oder Winkelpositionen in bezug zu jeder Achse bestimmt werden können.

Eine Stellungsgeberanordnung gemäß der Erfindung ist bei Mehrachsenanwendungen vorteilhaft gegenüber einer Anordnung gemäß der oben erwähnten USA-Patentschrift, wobei diese Vorteile insbesondere für spezielle Mehrachsenausführungen erzielt werden, bei denen jeder Freiheitsgrad orthogonal zu den anderen ist. Die Komplexität unddie Kosten für eine derartige Anordnung werden durch die gemeinsame Verwendung von mindestens einem Verzögerungsglied bei Positionsbestimmungen in bezug zu mehr als einer Achse beträchtlich reduziert. In jedem Falle ist das gemeinsam verwendete Verzögerungsglied unter einem ausgewählten Winkel in bezug zu der Richtung angeordnet, in der eine Positionsbestimmung er-

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folgen soll. Um eine Position in bezug zu zwei Achsen zu bestimmen, kann somit lediglich ein einziges Verzögerungsglied unter einem ausgewählten Winkel in bezug zu jeder Achse angeordnet werden; z,B. kann das Verzögerungselement in einem Winkel von 45° in bezug zu jeder von zwei orthogonalen Achsen angeordnet sein. Dadurch können Bestimmungen von linearen oder Winkelpositionen in bezug zu jeder der beiden Achsen erzielt werden.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert sind. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 eine Stellungsgeberanordnung gemäß der Erfindung zur Bestimmung einer Position in bezug zu zwei orthogonalen Achsen mit einem einzigen Verzögerungselement;

Figur 2 eine weitere Stellungsgeberanordnung gemäß der Erfindung zur Bestimmung einer Winkelposition in bezug zu einem Mehrachsen- Karclansystem;

Figur 3 einen Teil des Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 2, bei dem ein inneres Kardanelement um einen Winkel Θ.. gedreht ist;

Figur 3A ein geometrisches Schaubild zur Erklärung der Wirkungsweise des in den Figuren 2 und 3 gezeigten Systems;

Figur 4 eine alternative Ausführungsform des in Figur gezeigten Systems und

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Figur 5 eine Stellungsgeberanordnung gemäß der Er-. findung mit erhöhten Auflösungsvermögen in einem Einachsen-Stellungsgebersystem.

Das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 kann dazu verwendet werden, eine Position in bezug zu zwei Achsen mit lediglich einem einzigen Verζögerungselement zu bestimmen. Wie dargestellt wird ein einziges Verzögerungselement in Form einer Verzögerungsleitung 10 dazu verwendet, eine Position entlang zwei orthogonalen Achsen zu bestimmen, wobei die eine als X-Achse 11 und die andere als Y-Achse bezeichnet ist. Die Verzögerungsleitung, die z.B. ein magnetostriktives Verzögerungsleitungselement gemäß der oben erwähnten US-Patentschrift sein kann, ist vorzugsweise so positioniert/ daß es einen Winkel von 45° in bezug zu jeder Achse einnimmt. Wenn derartige magnetostriktive Verzögerungsleitungselemente verwendet werden, ist eine Vormagnetisierung notwendig , wie dies aus der Technik bekannt ist, wobei eine derartige Vormagnetisierung durch unterschiedliche Techniken erzeugt werden kann, wie dies in der oben erwähnten US-Patentschrift erläutert ist. Das Verzögerungsleitungsglied 10 weist an jedem Ende ein Dämpfungselement 1OA zur Verhinderung von Reflexionen von Signalen auf. Ein Treiberwandler 13 wird von einem Signalgenerator 14 so angeregt, daß ein Signal erzeugt wird, das entlang der Verzögerungsleitung 10 läuft. Ein erster Empfängerwandler 15 ist so angeordnet, daß er längs der X-Richtung verschoben werden kann, wie dieses durch den Doppelpfeil 15A angedeutet ist; ein zweiter Empfängerwandler 16 ist so angeordnet, daß er längs der Y-Richtung verschoben werden kann, wie dies ebenfalls durch einen Doppelpfeil 16A angedeutet ist.

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Die Wandler 15 und 16 sind in geeigneter Weise für eine Verschiebung längs der X- und Y-Richtung auf nicht gezeigten Befestigungsvorrichtungen montiert und können wie gezeigt in Form einer gestreckten Drahtschleife ausgebildet sein, die sich entlang jeder Richtung an der Verzögerungsleitung derart vorbeibewegt, daß in allen Stellungen während der Bewegung im wesentlichen die gleiche Kopplung mit der Verzögerungsleitung erzielt wird.

Ein Signal, das längs des Verzögerungsgliedes 10 wandert, wird von beiden Wandlern 15 und 16 aufgenommen und danach in geeigneter Weise durch Verstärker 17 bzw. 18 verstärkt, wonach die verstärkten Empfängersignale Phasendetektoren bzw. 20 zugeführt werden. Die Phasen der Empfängersignale werden mit der Phase des Signales vom Signalgenerator 14 verglichen , wodurch eine Messung der Entfernung zwischen jedem der Empfängerwandler in bezug zu dem Treiberwandler entlang dem Verzögerungsleitungseletnent 10 erzielt wird. Wie in der oben erwähnten US-PS 4 035 762 genauer erwähnt, ist bei Positionsmessungen, wenn kontinuierliche Wellensignale verwendet werden, eine Grob- und eine Feinmessung notwendig, wobei mit der Grobmessung die Anzahl ganzer Perioden des kontinuierlichen Signales zwischen dem aktivierten Treiberwandler 13 und den Empfängerwandlern 15 und 16 bestimmt wird, so daß eine Grobbestimmung der ungefähren Distanz zwischen diesen "bis auf eine Periode, d.h. eine Wellenlänge erreicht wird. Die Phasendifferenz innerhalb einer solchen Wellenlänge liefert die Feinmessung der Gesamtentfernung zwischen dem Treiber- und den Empfängerwandlern mit einer gewünschten Genauigkeit, die durch die Frequenz des verwendeten kontinuierlichen Signales bestimmt ist. Da ge eignete Techniken für die Durchführung solcher Grob- und Fein-

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messungen in der erwähnten Patentschrift beschrieben sind, brauchen die Details nicht näher angegeben zu werden, so daß zur Vereinfachung angenommen wird, daß diese Grob- und Feinmessungen in den lediglich als Blöcke in Figur 1 und auch den nachfolgenden Figuren dargestellten Phasendetektoren durchgeführt werden.

Die Anteile der Phasenausgangssignale in X- und Y-Richtung werden in geeigneter Weise durch Maßstabsfaktor-Recheneinheiten bzw. 22 berechnet, wobei in beiden Fällen der Maßstabsfaktor der Cosinus des Winkels zwischen der Verzögerungsleitung 10 und der entsprechenden beteiligten Achse ist. Wo wie hier beide Winkel 45° betragen, ist der Maßstabsfaktor ~f~2. Im allgemeinen Fall, wenn der Winkel zur X-Achse θ und der Winkel zur Y-Achse φ ist, sind die Maßstabsfaktoren cos© bzw.

Dementsprechend kann ein einzelnes Verzögerungsleitungsglied, das in geeigneter Weise in bezug zu zwei einen Winkel einnehmenden Richtungen positioniert ist, zur Bestimmung der Stellung bzw. Positionen in diesen Richtungen verwendet werden.Wenngleich das anhand der Figur 1 dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel ein Stellungsgebersystem in bezug zu zwei orthogonalen Achsen beschreibt, so brauchen die Achsrichtungen nicht unbedingt senkrecht zueinander zu sein. Außerdem kann das von dem Signalgenerator 14 gelieferte Signal ein kontinuierliches Wellensignal zur Erzeugung einer kontinuierlichen Wanderwelle entlang des Leitungsgliedes sein,oder dieses Signal kann ein Impulssignal sein, wobei dann die gemessene Verzögerung eine Zeitverzögerung ist, die die Laufzeit eines Impulses von dem Treiberwandler 13 zu den Empfängerwandlern 15 und 16 darstellt. Im letzteren Falle können die bisher benötigten Phasendetektoren durch Zeitmeß-

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einrichtungen ersetzt werden, etwa durch geeignete Zähler oder andere bekannte Einrichtungen, wobei dann die Zeitmessung einer direkten Messung der Entfernung entspricht, so daß keine Grob- und Feinmessungen wie bei der geschilderten Phasenmessung notwendig sind.

Zudem können, obwohl der Wandler 13 in diesem Ausführungsbeispiel als Treiberwandler und die Wandler 15 und 16 als Empfängerwandler verwendet werden, deren Rollen ausgetauscht und das Treibersignal den beiden letzteren Wandlern zugeführt sowie der Wandler 16 als Empfängerwandler verwendet werden. Im letzteren Falle können z.B. geeignete Multiplex-Techniken für die Positionsbestimmung längs beider Achsen verwendet werden, wobei die entsprechenden Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten unter Verwendung des gleichen Verzögerungsleitungsgliedes 10 ausgeführt werden.

Das oben erläuterte Konzept hinsichtlich der Messung von linearen Entfernungen in Figur 1 ist auch anwendbar für die Messung von Winkelbeziehungen. Derartige Winkelbestimmungen können z.B. in Mehrachsen-Kardansystemen verwendet werden, wobei die Winkelbeziehungen zwischen Kardanelementen bestimmt werden müssen. Derartige Kardansysteme werden z.B. in inertial-Lenk- und Inertial-Regelsystemen verwendet, bei denen die Anzeige der Kardanwinkel zur Ableitung der gewünschten Regelsignale wesentlich sind. Bei gegenwärtig verwendeten Kardan— Inertial-Meßsysteinen sind mehrere Elemente zur Kardanwinkelanzeige notwendig, die allesamt zur Komplexität und zu den Kosten des gesamten Systemes beitragen. Ein Kardansystem, bei dem das Konzept gemäß der Erfindung verwendet wird, kann billiger . und weniger komplex dadurch ausgebildet sein, daß die Anzahl der

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normalerweise hierfür erforderlichen Winkelsensoren verringert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für ein einfaches Karclansystem zum Messen der Winkelbeziehung zwischen einem stabilisierten Kardanelement und jedem von zwei anderen Karclanelementen angewendet, die sich in einer Winkelbeziehung zu dem stabilisierten Element bewegen; dies ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Wie hieraus hervorgeht, rotiert ein erster, innerer Kardanrahmen 30 um eine erste, mit X bezeichnete Achse 31, die in der Figur horizontal verlaufend dargestellt ist; ein zweiter,mittlerer Kardanrahmen 32 nimmt wie gezeigt eine stabile Position ein, während ein dritter, äußerer Kardanrahmen 34 um eine zweite, mit Y bezeichnete Achse 33 rotiert, die in der Zeichnung vertikal und senkrecht zu der Achse 31 dargestellt ist. Derartige Kardanelemente bzw. Kardanrahmen haben oft die Form von Kugeln ; sie sind aus Gründen der Vereinfachung in der ebenen Zeichnung der Figur 2 nur sohematisch dargestellt. Im Betrieb ist es erforderlich, die Winkelbe ziehung zwischen dem ersten,inneren und dem zweiten, mittleren Kardanrahmen 30 bzw. 32 zu bestimmen, die durch den Winkel identifiziert ist, und ebenfalls die Winkelbeziehung zwischen dem zweiten,mittleren und dem dritten,äußeren Kardanrahmen bzw. 34, die durch den Winkel Θ« identifiziert ist.

Hierzu wird ein Verzögerungsglied 36 fest auf dem mittleren Kardanrahmen 32 unter einem gewählten Winkel in bezug zu der vertikalen Rotationsachse 33 montiert (in dem gezeigten Beispiel ist der gewählte Winkel 45°). Das Verzögerungsglied 36 kann die Form einer kreisförmigen Verzögerungsleitung mit zwei Dämpfungselementen 37 an deren Ende aufweisen. In der Nähe eines Endes des Verzogerungsleitungsgliedes 36

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ist ein Wandler 38 angekoppelt, der z.B. eine Drahtspule sein kann. Der Wandler 38 in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann als Treiberwandler verwendet werden, um ein Wanderwellensignal in dem Verzögerungsglied 36 zu erzeugen, wenn er entsprechend von einem Signalgenerator angeregt wird; dies geschieht in der gleichen Art, wie dies in Verbindung mit der Figur 1 oben erläutert worden ist.

Auf der Außenfläche des inneren Kardanrahraens 30 ist ein zweiter Wandler in Form einer Drahtschleife 40 montiert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieser Wandler 40 als Empfängerwandler verwendet, dessen eines Ende mit Masse verbunden ist, während an dem anderen Ende ein Empfängersignal erscheint, wenn das das Wellensignal führende Verzögerungsleitungsglied 36 an der Wandlerschleife vorbeigeht· Ein zweiter Empfängerwandler 41 ist wie dargestellt auf der Außenfläche des äußeren Kardan rahmens 34 montiert, wobei das eine Ende des Wandlers 41 mit Masse verbunden ist und an seinem anderen Ende ein Empfängersignal erscheint, wenn das das Wellensignal führende Verzögerungsglied 36 an der Wandlerschleife 41 vorbeigeht. Um z.B. den Winkel Θ. zwischen dem inneren Kardanrahmen 30 und dem mittleren Kardanrahmen 32 zu bestimmen, wird der Wandler 38 z.B . mit einem kontinuierlichen Wellensignal angeregt, das von dem Wandler 40 aufgenommen und zu einem Verstärker 42 weitergeleitet wird. Das Eingangssignal des Signalgenerators 39 und das vom Verstärker empfangene Signal werden einem Phasendetektor 43 im wesentlichen in der gleichen Art zugeführt, wie dies in Verbindung mit der Figur 1 oben erklärt worden ist. Die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Signalen entspricht einer Entfernungsmessung längs der Verzögerungsleitung 36 von dem mittleren Kardanrahmen 32 zu dem inneren Kardanrahmen 30, das in bezug zu diesem rotiert.

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Das Ausgangssignal des Phasendetektors 43 wird einer Recheneinheit 44 zugeführt, in der eine Bestimmung des Winkels Θ.. in Übereinstimmung mit den entsprechenden sphärischen trigonometrischen Beziehungen vorgenommen wird.

Um diese hierbei wichtigen trigonometrischen Rechnungen zu verstehen, ist in Figur 3 der mittlere Kardanrahmen 32 und der gegenüber diesem um einen Winkel ©₁ verdrehte innere KardanraInnen 30 dargestellt. Hierdurch wird ein sphärisches Dreieck 47 mit zwei Schenkeln gebildet und zwar dem Schenkel "a" entsprechend dem 45"-Winkel, den die Verzögerungsleitung 36 gegenüber der vertikalen Achse 33 einnimmt und dem Schenkel "b" entsprechend den von der Wanderwelle entlang der Verzögerungsleitung 36 zurückgelegten Weg bis zu dem Punkt, an dem sie vom Empfängerwandler 40 aufgenommen wird. Der Raumwinkel bei B entspricht dem zu messenden Winkel θ.., während der Raumwinkel bei C 90° beträgt. Dementsprechend gilt die bekannte allgemeine sphärisch trigonometrische Beziehung:

tan b = tan B sin a.

Dieser Ausdruck kann zur Lösung von B wie folgt umgeschrieben werden:

B = tan , I tan b/sin a

I tan b/sin a L

In dem speziellen Fall, in dem a 45° ist, wie in Figur 3 gezeigt, vereinfacht sich diese Beziehung zu:

B = tan"¹ -/ΊΓ tan b .

In Figur 3, gemäß der der Winkel B der gewünschte Winkel θ

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ist und b die Entfernung I₁ entlang der Verzögerungsleitung ist, wird die obige Beziehung zu

-1 Γ/-"
O₁ = tan -γ 2 tan 1

Für das Verständnis der oben aufgestellten sphärischen Dreiecksbeziehungen ist das sphärische Dreieck nochmals in Figur 3A dargestellt, in der die Schenkel a und b (wobei b = I₁ ist) sowie die Winkel A, B (wobei B = O₁ ist) und C entsprechend bezeichnet sind.

Eine solche Rechnung kann durch die Recheneinheit 44 durchgeführt werden, wenn einmal die Entfernung I₁ in Winkelgeraden entlang des Verzogerungsgliedes 36 durch den Phasendetektor 43 bestimmt ist.

In ähnlicher Weise kann der Winkel zwischen dem mittleren Kardanratimen 32 und dem äußeren Karäanrahmen 34 entsprechend der Phasendifferenz zwischen dem an den Treiberwandler 38 von dem Signalgenerator 39 angelegten Signal und dem vom Wandler 41 empfangenen und durch einen Verstärker entsprechend verstärkten Signal bestimmt werden, wobei diese Signale einem Phasendetektor 46 und danach der Recheneinheit zur Bestimmung des Winkels Θ- zugeführt werden.

Auf diese Weise kann mit einem einzigen Verzögerungsleitungsglied, das in geeigneter Weise auf einem mittleren Kardan- rahmen unter einem vorgewählten Winkel montiert ist, die Winkelbeziehung zwischen einem inneren Kardanrahmen und dem mittleren Kardanrahmen ebenso wie die Winkelbeziehung zwischen einem äußeren Kardanrahmen und dem mittleren Kardanrahmen gemessen werden, ohne daß dafür zwei separate Winkelsensoren und Anzeige-

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einheiten verwendet werden, die in derartigen Kardanstrukturen normalerweise erforderlich sind. Aus Gründen der Einfachheit wurde in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 der Winkel zwischen dem Verzögerungsleitungsglied und dem mittleren Kardanrahmen zu 45° gewählt, obwohl dieses selbstverständlich nicht beschränkend ist.

Obwohl das dem Treiberwandler 38 zugeführte Signal hier jeweils als kontinuierliches Wellensignal behandelt wurde, kann ein solches Signal selbstverständlich auch ein Impulssignal sein, und die Winkelmessungen können durch eine Messung der Zeitverzögerungen zwischen dem an dem Wandler 38 erzeugten Signal und den von den Wandlern 40 und 41 aufgenommenen Signalen bestimmt werden, wobei diese Zeitverzögerungen und die Polaritäten der empfangenen Signale entsprechend die Kardanwinkel angeben.

Wenngleich das System mit zwei Kardanwinkeln gemäß der Figur 2 in Verbindung mit einem Kardansystem mit drei Kardanrahmen und zwei Freiheitsgraden verwendet ist, kann ein derartiges Konzept auf ein System mit einem größeren Freiheitsgrad angewendet werden, das mehr als drei derartige Kardanrahmen aufweist, wobei in jedem Falle ein einzelnes Verzögerungsglied auf einem gewählten Kardanrahmen dazu verwendet wird, die Winkelbeziehungen zu dem benachbarten inneren und dem benachbarten äußeren Kardanrahmen zu bestimmen. Ein derartiges in vielen Anwendungen häufig verwendetes System könnte z.B. einen stabilisierten Kardanrahmen und vier rotierende Kardanrahmen aufweisen. In Fällen wo mehr als ein Verzögerungsglied benötigt wird, um die Winkelbeziehung in einem System mit vier oder mehr Kardanrahmen zu bestimmen, können separate Signalgeneratoren verwendet werden,

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um jeden der verwendeten Treiberwandler anzuregen; auch die empfangenen Signale können direkt geeigrietai Phasendetektoren und Recheneinheiten zugeführt werden. Alternativ kann auch lediglich ein einziger Signalgenerator verwendet und das von diesem erzeugte Signal den Treiberwandlern in Multiplex-Art zugeführt werden, wobei dann die empfangenen Ausgangssignale entsprechend in Multiplex mit allgemein bekannten MuItiplex-Techniken behandelt werden.

Obwohl in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel das Verzogerungsleitungsglied 36 auf dem Kardanrahmen 32 derart angeordnet ist, daß es mit dessen Großkreis zusammenfällt, kann das Verzögerungsleitungsglied selbstverständlich so montiert sein, daß es außerhalb des Großkreises angeordnet ist, wie dies in Figur 4 dargestellt ist; die notwendigen sphärisch - trigonometrischen Beziehungen werden hier im wesentlichen in der gleichen Art wie oben erläutert berechnet .

In Verbindung mit Figur 1 ist eine Mehrachsenanordnung erläutert worden, bei der ein Verzögerungsleitungsglied verwendet wird, das in bezug zu der längs einer Achse zu messenden Entfernung einen Winkel einschließt im Gegensatz zu einem Verzögerungsleitungsglied, das in der Achsrichtung selber liegt; ein derartiges Konzept kann auch dazu verwendet werden, um das Auflösungsvermögen in einer Einachsen-Konfiguration wie in Figur 5 zu verbessern. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist hier ein Verzögerungsglied 50 in bezug zu einer gewählten, hier mit X-Richtung bezeichneten Achsrichtung 51 unter einem gewählten Winkel θ montiert. Auf der Verzögerungsleitung 50 ist ein Treiberwandler fest montiert und ein Empfängerwandler 53 ist so angeordnet, daß er

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entlang der X-Richtung verschoben werden kann; dieser Wandler kann etwa die Form einer gestreckten Drahtschleife, wie sie ebenfalls in Figur 1 gezeigt ist, aufweisen, um so eine ausreichende Koppelung mit der Verzögerungsleitung 50 während der gesamten Bewegung herzustellen.

Die Entfernung in X-Richtung kann in der gleichen Art bestimmt werden , wie dies oben in Verbindung mit der Figur 1 erläutert worden ist. Da die Verzögerungsleitung unter einem gewählten Winkel θ in bezug zu der X-Richtung angeordnet ist, ist die Auflösung der entsprechenden Messung gegenüber einer Messung verbessert, bei der die Verzögerungsleitung in X-Richtung liegt, da der Anteil der Entfernung zwischen den Wandlern 52 und 53 längs der X-Richtung durch eine wesentlich größere Entfernung längs der Verzögerungsleitung selbst dargestellt wird, und zwar in Abhängigkeit des gewählten Wertes von dem Winkel θ , wenn die Messungen der Phasenverschiebung bzw. der Zeitverzögerungen bei Verwendung von Impulssignalen durchgeführt werden. Die Verbesserung der Auflösung ist umso höher, je größer der gewählte Winkelwert θ ist.

Auch wenn die Erfindung oben in Verbindung mit der Verwendung von Verzögerungsgliedern zur Positionsbestimmung erläutert worden ist, kann das Grundkonzept der Erfindung ebenso nützlich bei-Meßsystemen sein, bei denen andere verteilte Meßglieder verwendet werden. So wird z.B. bei einem Potentiometer ein unterteiltes Widerstandselement mit einem hiermit verbundenen beweglichen Kontakt verwendet, wobei der unterschiedliche Widerstandswert an dem Kontakt eine Bestimmung von dessen Stellung längs des Widerstandselementes liefert. Bei herkömmlichen Potentiometern ist der unterteilte Widerstand so angeordnet, daß er in der entweder geraden oder ge-

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krümmten Richtung liegt, längs der eine Position bestimmt werden soll.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein einziger unterteilter Meßsensor, wie z.B. ein unterteiltes Widerstandselement, unter einem gewählten Winkel in bezug zu einer oder mehreren gewählten Richtungen positioniert, längs denen eine Position bestimmt werden soll. Mit dem unterteilten Element sind ein oder mehrere bewegliche Elemente gekoppelt und bewegen sich in bezug zu den unterteilten Elementen längs der einen oder den mehreren ausgewählten Richtungen. Die Ausgangssignale an dem einen oder den mehreren gekoppelten Elementen bestimmten die Position längs des unterteilten Elementes und aufgrund des bekannten gewählten Winkels kann dann eine Bestimmung der Position längs der einen oder den mehreren ausgewählten Richtungen mit einem wesentlich höheren Auflösungsgrad als bei bekannten Anordnungen dieses Typs vorgenommen werden.

Andere Modifikationen und Verwendungen der Erfindung sind möglich und fallen unter Ziel und Zweck der Erfindung, wobei die Erfindung nicht auf die oben erläuterten speziellen Ausführungsbeispiele sondern nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Stellungsgeberanordnung, gekennzeichnet
durch ein Verzögerungsglied (10, 36, 50), das in bezug
zu mindestens einer ausgewählten Richtung unter einem
Winkel größer als 0° angeordnet ist, durch eine erste
Wandlereinrichtung (13; 38; 52), die mit dem Verzögerungsglied fest gekoppelt ist, sowie eine ebenfalls mit dem Verzögerungsglied gekoppelte zweite Wandlereinrichtung (15, 16; 40, 41; 53), die in bezug zu dem Verzögerungsglied so bewegbar ist, daß während der gesamten Verschiebung weitgehend derselbe Kopplungsgrad zwischen Wandlereinrichtung und Verzögerungsglied aufrechterhalten wird, durch eine Erregereinrichtung (14; 39)
für eine der beiden Wandlereinrichtungen zur Erzeugung
eines Signals, das längs des Verzögerungsgliedes läuft, wobei die andere Wandlereinrichtung dieses Wellen-

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signal erfaßt, wenn es diese zweite Wandlereinrichtung passiert, durch eine Einrichtung (19, 20; 43, 46) zum Bestimmen der Verzögerung des Signales, wenn es von der erregten Wandlereinrichtung zu der Empfängerwandlereinrichtung läuft, wodurch die Position der Empfängerwandlereinrichtung in bezug zu der erregten Wandlereinrichtung längs des Verzögerungsgliedes bestimmt wird, und durch auf diese Verzögerungsbestimmung ansprechende Einrichtungen (21, 22; 44, 47) zum Berechnen der Position der Empfängerwandlereinrichtung in bezug zu der erregten Wandlereinrichtung in mindestens einer ausgewählten Richtung.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung (14; 39) ein kontinuierliches Wellensignal erzeugt, das längs des Verzögerungsgliedes (10; 36; 50) läuft, und daß die Einrichtung (19, 20; 43, 46) zum Bestimmen der Verzögerung die Verzögerung des Wellensignales aufgrund der Phasendifferenz zwischen dem an der erregten Wandlereinrichtung erzeugten und dem von der Empfängerwandlereinrichtung erfaßten Signal bestimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung (14; 39) ein Impulssignal erzeugt, das längs des Verzögerungsgliedes (10; 36; 50) läuft, und daß die Einrichtung (19, 20; 43, 46) zum Bestimmen der Verzögerung die Verzögerung dieses Signales aufgrund der Laufzeit des Impulssignales von der erregten Wandlereinrichtung (13; 38; 52) zu der Empfängerwandlereinrichtung (15, 16; 40, 41; 53) bestimmt.

4. Anordnungnach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (10; 50) ein

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gerades Verzögerungsleitungsglied ist/ das unter ausgewählten Winkeln in bezug zu zwei ausgewählten gerade verlaufenden Richtungen (X, Y) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Richtungen (X, Y) orthogonal sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem Verzögerungsglied (10) und den ausgewählten Richtungen (X, Y) jeweils 45° beträgt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (36) ein gekrümmtes Verzögerungsglied ist.

8. Anordnung zur Bestimmung von mindestens einer Winkelposition, gekennzeichnet durch mindestens drei bewegbare Elemente (30, 32, 34), die jeweils in bezug zueinander um unterschiedliche Achsen (X, Y) drehbar sind, wobei jede dieser unterschiedlichen Achsen eine feste Winkelbeziehung zu mindestens zwei weiteren der unterschiedlichen Achsen aufweist, durch ein kreisförmiges Verzögerungsglied (38), das auf mindestens einem der
mindestens drei bewegbaren Elemente in einer Position in einer Ebene angeordnet ist, die einen ausgewählten Winkel in bezug zu der den Elementen zugeordneten Achse einnimmt_r eine mit dem Verzögerungsglied fest gekoppelte Treiberwandlereinrichtung (38) sowie durch Empfängerwandlereinrichtungen (40, 41), die auf den mindestens zwei weiteren der mindestens drei bewegbaren Elemente in der Nähe des einen bewegbaren Elementes fest angeordnet sind, wobei alle diese Empfängerwandlereinrichtungen

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mit dem Verzögerungsglied gekoppelt und relativ zu diesem so bewegbar sind, daß während der Bewegung weitgehend derselbe Kopplungsgrad mit dem Verzögerungsglied aufrechterhalten wird, gekennzeichnet ferner durch eine Erregereinrichtung (39) für die Treiberwandlereinrichtung zur Erzeugung eines Signals, das längs des Verzögerungsgliedes läuft, wobei die Empfängerwandlereinrichtungen dieses Wellensignal erfassen, wenn es jede der Empfängerwandlereinrichtungen passiert, durch eine Einrichtung (43, 46) zum Bestimmen der Verzögerung des Signales, wenn es von der Treiberwandlereinrichtung zu jeder der Empfängerwandlereinrichtungen läuft, wodurch die Position der Empfängerwandlereinrichtungen in bezug zu der Treiberwandlereinrichtung längs des Verzögerungsgliedes bestimmt wird, und durch auf diese Verzögerungsbestimmungen ansprechende Einrichtungen (44, 47) zum Berechnen der Winkelposition der wenigstens zwei anderen der mindestens drei bewegbaren Elemente in bezug zu dem mindestens einen bewegbaren Element.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Achsen (X, Y) jeweils in bezug zueinander orthogonal sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberwandlereinrichtung (38) ein kontinuierliches Wellensignal erzeugt, das längs des Verzögerungsgliedes (36) läuft,und daß die Einrichtung (43, 46) zum Bestimmen der Verzögerung die Verzögerung des Wellensignales aufgrund der Phasendifferenz zwischen dem an der Treiberwandlereinrichtung (38) erzeugten Signal und den von den Empfängerwandlereinrichtungen (40, 41) erfaßten Signalen bestimmt.

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11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberwandlereinrichtung (39) ein Impulssignal erzeugt, das längs des Verzögerungsgliedes (36) läuft, und daß die Einrichtung (43, 46) zur Bestimmung der Verzögerung die Verzögerung des Signales aufgrund der Laufzeiten des Impulssignales von der Treiberwandlereinrichtung zu den Empfängerwandlereinrichtungen (40, 41) bestimmt.

12. Anordnung zum Bestimmen von Winkelpositionen, gekennzeichnet durch drei bewegbare Kardanelemente (30, 32, 34), die jeweils in bezug zueinander um eine von drei zueinander orthogonalen Achsen drehbar sind, wobei diese Karclanelemente eine Einheit mit einem inneren Kardanelement (30), einem mittleren Kardanelement (32) und einem äußeren Kardanelement (34) bilden, ein kreisförmiges Verzögerungselement (36}, das fest auf dem mittleren Kardanelement unter einem ausgewählten Winkel in bezug zu der Drehachse des Elementes angeordnet ist, durch eine fest mit dem Verzögerungsglied (36) gekoppelte Treiberwandlereinrichtung (38), eine auf dem inneren Kardanelement fest montierte erste Empfängerwandlereinrichtung, die mit dem Verzögerungselement gekoppelt und in bezug zu diesem so bewegbar ist, daß während der gesamten Bewegung weitgehend derselbe Kopplung.sgrad mit dem Verzögerungsglied aufrechterhalten wird, sowie durch eine fest auf dem äußeren Kardanelement montierte zweite Empfängerwandlereinrichtung (41) , die mit dem Verzögerungsglied gekoppelt und relativ in bezug zu diesem so bewegbar ist, daß während der gesamten Bewegung weitgehend derselbe Kopplungsgrad mit dem. Verzögerungsglied aufrechterhalten wird, ferner gekennzeichnet durch eine

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Erregereinrichtung (39) für die Treiberwandlereinrichtung zur Erzeugung eines Signales, das längs des Verzögerungsgliedes läuft, wobei die beiden Empfängerwandlereinrichtungen jeweils das Wellensignal erfassen, wenn es diese Empfängerwandlereinrichtungen passiert, durch eine Einrichtung (43, 46) zum Bestimmen der Verzögerung des Signales, wenn es von der Treiberwandlereinrichtung zu jedem der beiden Empfängerwandlereinrichtungen läuft, wodurch die Positionen der beiden Empfangerwandlereinrichtungen relativ zu der Treiberwandlereinrichtung längs des Verzögerungsgliedes bestimmt werden und durch auf diese Verzögerungsbestimmungen ansprechende Einrichtungen (44, 47) zum Berechnen der Winkelpositionen des inneren und des äußeren Kardanelementes in bezug zu dem mittleren Kardanelement.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberwandlereinrichtung (38) ein kontinuierliches Wellensignal erzeugt, das längs des Verzögerungsgliedes lauft, und daß die Einrichtung (43, 46) zur Bestimmung der Verzögerung die Verzögerungen des Wellensignales aufgrund der Phasendifferenzen zwischen dem an der Treiberwandlereinrichtung erzeugten Signal und dem von den beiden Empfangerwandlereinrichtungen (40, 41) erfaßten Signalen bestimmt.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberwandlereinrichtung (38) ein Impulssignal erzeugt, das längs des Verzögerungsgliedes (36) läuft, und daß die Einrichtung (43, 46) zur Bestimmung der Verzögerung die Verzögerungen dieses Signales aufgrund der Laufzeiten des Impulssignales von der Treiberwandlereinrichtung zu jedem der beiden Empfängerwandlereinrich-

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tungen (40, 41) bestimmt.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das kreisförmige Verzögerungsglied (16) auf dem mittleren Karäanelement (32) in einer Art fest montiert ist, daß es mit einem Großkreis des mittleren Kardanelementes zusammenfällt.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das kreisförmige Verzögerungselement (36) in einer Lage fest montiert ist, die nicht mit einem Großkreis des Kardanelementes (32) zusammenfällt.

17. Stellungsgeberanordnung, gekennzeichnet durch einen aufgeteilten Meßfühler, der unter einem ausgewählten Winkel größer als 0° in bezug zu mindestens einer ausgewählten Richtung angeordnet ist, mindestens ein mit dem Meßfühler gekoppeltes bewegliches Element, das zu dem Meßfühler relativ in bezug dazu längs mindestens einer ausgewählten Richtung so bewegbar ist, daß während der gesamten Bewegung weitgehend derselbe Kopplungsgrad aufrechterhalten wird, wobei das mindestens eine bewegliche Element ein Ausgangssignal abgibt, das die Position längs des Meßfühlers darstellt, und ferner gekennzeichnet durch auf dieses Ausgangssignal ansprechende Einrichtungen zum Berechnen der Position des beweglichen Elementes in der mindestens einen ausgewählten Richtung.

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