DE4122707C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Winkelmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Winkelfühlvorrichtung zum Erfassen des Winkels zwischen der Vorrichtung und einem projizierten Photoenergie­ strahl.

Aus der US Patentschrift 4,804,832 ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Winkels zwischen einem projizierten Strahl und einem Spiegel, der senkrecht zu zwei Sensoren angeordnet ist, bekannt. Das Prinzip dieser Anordnung liegt darin, daß, wenn ein Lichtstrahl senkrecht auf die An­ ordnung fällt, beide Sensoren die gleiche Lichtmenge wahrnehmen. Bei schrägem Einfall des Lichtstrahls schattet der Spiegel teilweise den einen Sensor ab, während der andere Sensor direkt von der Lichtquelle kom­ mendes Licht empfängt, wie auch Licht, das von der Spiegelfläche reflek­ tiert wird. Aus den so resultierenden unterschiedlichen Detektorströmen der zwei Sensoren läßt sich dann eine Aussage über den Einfallswinkel machen. Der Nachteil einer solchen Vorrichtung liegt darin, daß Schwan­ kungen in der Intensität, die durch Veränderungen in den Charakteristi­ ken oder der Anregung des Strahlprojektors oder durch Verändern der Entfernung der Lichtquelle von dem Sensor verursacht werden können, eine zuverlässige Bestimmung des Einfallswinkels erschweren.

Aus der US Patentschrift 4,410,270 ist eine Winkelpositionsmeßvorrichtung bekannt, die aus zwei nebeneinander angeordneten Blenden und zwei Sensoren besteht. Je nach Einfallswinkel des Lichtstrahls verhindern die Blenden, daß bestimmte Lichtstrahlkomponenten die zwei Sensoren erreichen, und somit entstehen unterschiedliche Sensorströme, aus denen sich dann eine Aussage über den Einfallswinkel machen läßt. Diese Druckschrift, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, weist wiederum das Problem auf, daß Schwankungen der Intensität des einfallenden Lichtstrahls, die ihren Ursprung in der geometrischen Systemanordnung oder in der Lichtemission der Lichtquelle haben können, eine zuver­ lässige Einfallswinkelbestimmung nicht immer zulassen.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Erfassen von Intensitätsschwankungen des einfallenden Lichtstrahls die Messung eines Einfallswinkels zu gewährleisten, ohne die Vorrichtung unnötig zu ver­ komplizieren.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.

Die Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Photoenergiesperre, einen primären Photoenergiesensor, der von der Sperre beabstandet ist und angeordnet ist, um einen Teil des Photoener­ giestrahls zu empfangen, wobei dieser Teil an der Kante der Sperre vorbei über­ tragen wird, um dadurch einen Signalausgang zu schaffen, der für den Teil des Primärsensors steht, der dem auftreffenden Strahlanteil ausgesetzt ist, und einen Referenzphotoenergiesensor, der benachbart zu dem primären Photoenergiesensor angeordnet ist. Der Referenzsensor hat einen im wesentlichen kostanten Bereich, der dem projizierten Photoenergiestrahl ausgesetzt ist, um dadurch einen Signal­ ausgang zu schaffen, der die projizierte Strahlintensität angibt. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Kombinieren der Signalausgänge von primärem und Referenz­ photoenergiesensor vorgesehen, um einen resultierenden Signalausgang zu schaffen, der den Winkel angibt, mit dem der auftreffende Photoenergiestrahl den primären Photosensor schneidet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung offenbart zum Bestimmen des Winkels zwischen einem projizierten Lichtenergiestrahl und einem Körper bzw. Gehäuse, die einen primären Sensor für die projizierte Lichtenergie hat, der an dem Gehäuse festgelegt ist, wobei der primäre Sensor einen Ausgang in Entsprechung zu dem Sensorbereich liefert, auf den der projizierte Lichtener­ giestrahl auftrifft. Ein Referenzsensor ist an dem Körper benachbart zu dem primären Sensor angebracht, wobei die gesamte Referenzsensorfläche dem projizier­ ten Lichtenergiestrahl ausgesetzt ist und ein diesen darstellendes Ausgangssignal liefert. Eine Lichtenergiestrahlsperre ist von dem primären Sensor für die projizier­ te Lichtenergie beabstandet und angeordnet, um einen Teil des primären Sensors für den projizierten Lichtenergiestrahl abzudecken. Der Teil der Fläche des primä­ ren Sensors, auf den der Lichtenergiestrahl auftrifft, hängt von dem Winkel zwi­ schen dem projizierten Strahl und dem Primärsensor ab. Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum Empfangen der Ausgangssignale des primären und des Referenz­ sensors und zum Liefern eines winkelangebenden Ausgangs, der bezüglich Variatio­ nen in der projizierten Lichtstrahlenergieintensität korrigiert ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung offenbart zum Messen des Auftreffwinkels eines projizierten Strahls, wobei die Kombination einen ersten Strahlsensor enthält, der dem projizierten Strahl in einem variierenden Ausmaß ausgesetzt ist, und einen zweiten Strahlsensor benachbart und koplanar zu dem ersten Strahlsensor enthält, der dem projizierten Strahl vollständig ausgesetzt ist. Der erste und der zweite Strahlsensor liefern einen ersten bzw. einen zweiten Signalausgang, die im wesentlichen proportional zur Fläche bzw. zum Bereich davon sind, auf den der projizierte Strahl auftrifft. Eine Sperre für den projizierten Strahl ist von dem ersten Strahlsensor beabstandet und angeordnet, um einen Teil des projizierten Strahls für den ersten Strahlsensor zu blockieren, um ein sich ver­ änderndes Ausmaß von dessen Belichtung zu schaffen, und zwar gemäß dem Winkel zwischen dem projizierten Strahl und der Fläche des ersten Strahlsensors. Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum Empfangen des ersten und zweiten Signal­ ausgangs und zum Liefern eines Ausgangs, der den Winkel zwischen dem projizier­ ten Strahl und dem ersten Strahlsensor angibt, wobei der Winkel für Intensitäts­ variationen des projizierten Strahls kompensiert ist.

Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung liefert eine Messung des Orientierungs­ winkels eines Körpers relativ zu der Richtung eines projizierten Strahls und enthält die Schritte: Empfangen des projizierten Strahls bei einem Strahlsensor und Liefern eines Sensorausgangs als auch das Sperren eines Teils des Strahls, so daß dieser nicht bei einem anderen Strahlsensor benachbart zu dem einen Strahlsensor empfangen wird. Der Teil des anderen Strahlsensors, auf den der projizierte Strahl auftrifft, hängt von dem Winkel zwischen dem Strahl und dem anderen Strahlsensor ab, der dadurch einen anderen Sensorausgang liefert. Es ist auch der Schritt enthalten, das Verhältnis des anderen Strahlsensorausgangs zu dem einen Strahlsen­ sorausgang zu berechnen, wodurch das Verhältnis den Winkel zwischen dem Strahl und dem anderen Strahlsensor angibt, und zwar kompensiert für Variationen in der Strahlintensität.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das den Ausgang des Photosensors als eine Funk­ tion des Strahlwinkels zeigt; und

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung mit vielen Sensoren.

In Fig. 1 ist eine Sensoranordnung 11 gezeigt mit einem Referenzphotosensor 12, einem primären Photosensor 13 und einer Strahlsperre 14. Die Strahlsperre ist ein opakes Element, welches von dem primären Photosensor 13 beabstandet ist, wobei eine Kante 16 generell über der Mittellinie des primären Photosensors liegt. Die Photosensoren 12 und 13 sind typischerweise ebene bzw. planare Einrichtungen, die ein Ausgangssignal liefern, welches proportional zu dem Teil der Sensorfläche ist, der von Licht beflutet ist. Der Ausgang ist auch eine Funktion der Intensität des Lichts, das die Sensorflächenbereiche beflutet bzw. bestrahlt. In diesem Zusammen­ hang soll der Ausdruck "Licht-" oder "Photoenergie" die unsichtbaren als auch die sichtbaren Teile des Spektrums enthalten.

Es ist zu sehen, daß der Referenzphotosensor 12 und der primäre Photosensor 13 im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind, wobei die Sperre 14 eine Unterbrechung oder Abschattung des Strahls aus Licht- oder Photoenergie 17 liefert, wenn dieser auf die Fläche des primären Photosensors fortschreitet. Der Referenzphotosensor 12 empfängt die gesamte Lichtenergie in dem Strahl 17 oder einen relativ konstanten Betrag, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Referenzphotosensor 12 liefert ein Ausgangssignal, welches sich bis zu einem gewissen Ausmaß als eine Funktion der Intensität des Lichtstrahls 17 verändert. Die Intensität des Strahls 17 an dem Photosensor kann variiert werden durch Verändern der Entfernung der Lichtquelle von dem Sensor oder durch Veränderungen in den Charakteristiken oder der Anregung des Strahlprojektors. Wenn die Intensität des Lichtstrahls 17 aus irgendeinem dieser Gründen verändert wird, wird die Intensität des Strahls, wenn er sowohl auf den primären Photosensor 13 als auch auf den im wesentli­ chen benachbarten Referenzphotosensor 12 auftrifft, im wesentlichen gleich sein. Daher kann der Ausgang des primären Photosensors 13 als Ergebnis des Betrages des Lichtstrahls 17, der darauf auftrifft, mit dem Ausgang von dem Referenz­ photosensor 12 kombiniert werden, um ein Verhältnis der Ausgänge zu bilden, welches den Winkel zwischen dem primären Photosensor und dem Lichtstrahl 17 angibt, wie es nachstehend beschrieben werden wird.

Für kleine Winkel sind der Tangens und der Sinus eines Winkels ähnlich. Daher, wenn eine Senkrechte von der Fläche des primären Photosensors 13 projiziert wird und der Lichtstrahl 17 in Richtung dieser Senkrechten projiziert wird, ist der Winkel Θ, gezeigt in Fig. 1, 0. Durch die Sperre 14, die angeordnet ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, so daß deren Kante 16 bei der Senkrechten liegt, die sich von der Mittellinie des primären Photosensors 13 erstreckt, wird die Hälfte des Flä­ chenbereiches des primären Photosensors durch den Strahl 17 bestrahlt und die Hälfte liegt im Schatten und wird durch die opake Sperre 14 in Dunkelheit gehalten. Demzufolge wird für die bestehende Intensität des Strahls 17 unter diesen Umständen eine Hälfte des potentiellen Ausgangs von dem primären Photosensor erzeugt werden. In der Zwischenzeit wird bei den gleichen Bedingungen der gesamte potentielle Ausgang von dem Referenzphotosensor 12 erzeugt werden. Dies setzt voraus, daß die zwei Sensoren ähnliche Skalierungsfaktoren haben. Das Verhältnis des Ausgangs des primären Sensors zu dem Ausgang des Referenzsen­ sors wird daher 0,5 sein. Dies kann unter Bezugnahme auf Fig. 2 gesehen werden, wobei der Ausgang 18 an dem primären Photosensor 13 bei null Grad des Strahl­ winkels eine Hälfte des Ausgangs 19 von dem Referenzphotosensor 12 ist. Der Ausgang von dem Referenzphotosensor ist für dieselbe Intensität des Lichtstrahls 17 im wesentlichen konstant. Dies wird durch die Beziehung y = K₂ dargestellt, wie es bei 19 in Fig. 2 angegeben ist. Es ist jedoch zu sehen, daß der Ausgang des primären Photosensors 13 von null an einem Ende eines 20°-Bereiches zu einem Pegel am anderen Ende gehen kann, der äquivalent dem konstanten Aus­ gang von dem Referenzsensor ist. Ein 20°-Bereich der Winkelmessungen wird für die Zwecke dieser besonderen Winkelmessungsvorrichtung als geeignet angesehen, da sie auf Fahrzeugrad-Ausrichtungsanwendungen angewendet wird. Die 20° des Winkels werden nach plus und minus 10° zu jeder Seite der Senkrechten gemessen, die sich von der Mittellinie des primeren Sensors 13 an der Kante 16 der opaken Sperre 14 vorbei erstreckt.

Wenn der Winkel des Strahls 17 von einer Position 10° gegen Uhrzeigersinn von der Senkrechten verläuft, die sich von der Mittellinie des primären Sensors 13 erstreckt, und zwar zu einer Position, die 10° im Uhrzeigersinn gegenüber der Senkrechten ist, wird die Kurve y = K₁Θ (Linie 18) der Fig. 2 erzeugt. Ver­ änderungen in der Intensität des Strahls 17 werden daher aus der Winkelmessung eliminiert, indem die Beziehung verwendet wird, die proportional zu dem Winkel des Strahls 17 innerhalb des Bereiches von plus und minus 10° von der Senkrech­ ten ist, die sich von der Fläche des Sensors 13 erstreckt: K₁Θ/K₂. Eine Signalkon­ ditionierungsschaltung 21, die in Fig. 1 gezeigt ist, erzielt diese Kombination und liefert als Ausgang bei A′ ein Signal, das den Winkel Θ innerhalb des Bereiches von plus und minus 10° von der Senkrechten oder einer Winkelrichtung des Lichtstrahls 17 von null angibt. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, beleuchtet der Strahl 17 die gesamte Fläche von sowohl dem primären Sensor 13 als auch dem Referenzsensor 12. Fig. 1 stellt daher einen Winkel von plus 10° dar, wie es in Fig. 2 zu sehen ist. Der Ausgang von der Signalkonditionierungsschaltung 21 ist K₁Θ/K₂, (wobei K₁/K₂ = 1 und Θ = 20°, wie zuvor erläutert), was den plus 10°- Zustand angibt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 der Zeichnung ist ein Winkelsensor mit einer Vielzahl von Sensoranordnungen 11 mit einer Vielzahl von primären Photosensor­ zellen 13 und Referenzphotosensorzellen 12 gezeigt, die im wesentlichen in dersel­ ben Ebene innerhalb eines Gehäuses 22 für die gesamte Sensoranordnung der Fig. 3 angeordnet sind. Eine Glasabdeckung 23 trägt eine Vielzahl von opaken Strahl­ sperren 14, und zwar eine Sperre für jedes Paar von Sensoren 12 und 13. Es ist zu sehen, daß die Referenzsensoren 12 dem Lichtstrahl über den ganzen Winkel­ messungsbereich ausgesetzt sind, d. h. Θ = 20° (ausgedrückt zu plus und minus 10° in diesem Fall). Der primäre Photosensor 13 in jedem Paar von Photosensoren ist ausgelegt, dem Strahl 17 gemäß dem Winkel zwischen dem Gehäuse 22 und dem Strahl 17 ausgesetzt zu werden, um dadurch eine Winkelmessung zu schaffen, wie sie zuvor in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert wurde. Für einen 20°- Bereich der Winkelmessung werden die optimalen dimensionsmäßigen Charak­ teristiken für das Gehäuse 22 definiert. Der Sinus von 20° ist 0,342. Wenn daher die Breite eines Sensors 13 d ist, die Entfernung zwischen der Fläche des primären Photosensors 13 und der opaken Sperre 14 3d. Der Bereich der Winkel­ messungseinrichtung, wenn er über einen 20°-Bogen verläuft, wird daher den Lichtstrahl 17 veranlassen, über den Teil der Stirnseite des primären Photosensors 13 zu verlaufen, der durch den 20°-Bogen bzw. -Winkel geschnitten wird. Dies wird in diesem Beispiel für die gesamte Stirnseite des primären Sensors sein, für eine Einstellung oder andere Zwecke kann jedoch auch ein geringerer Teil der Stirn­ seite von dem Strahl überquert werden, vorausgesetzt, daß begleitende Einstellun­ gen bezüglich des Referenzsensors oder des Referenzausgangs vorgenommen werden. Die Ausgänge von jedem der primären Sensoren 13 werden mit einer Signalkonditionierungseinrichtung 21 verbunden, wie auch die Referenzausgänge von den Referenzsensoren 12. Die Vielzahl der Sensoranordnungen 12 wird dazu führen, daß individuelle Eigenarten der Sensoranordnungen 11 aus den Messungen entfernt oder gemittelt werden und ein Ausgangssignal A geschaffen wird, welches den Winkel des Lichtstrahls 17 relativ zu dem Gehäuse 22 angibt, das die primä­ ren Photosensoren 13 enthält.

Typische Photosensoren zur Verwendung bei dieser Anmeldung werden beispiels­ weise durch Photozellensensoren mit der Teilnummer 5359C002, hergestellt von Silicon Sensors, Inc., Highway 18 East, Dodgevill, Wisconsin dargestellt. Die Signalkonditionierungsschaltung 21 ist in ähnlichen Anwendungen verwendet worden und beschrieben zum Zwecke der Offenbarung des besten Modus und zum Ge­ währleisten einer Vollständigkeit dieser Offenbarung. Der Lichtstrahl 17 ist mit einer gewissen Frequenz moduliert, etwa 15 kHz z. B., und die Signale von den Photosensoren 12 und 13 werden zu einem schmalbandigen Filter geführt, welches die 15 kHz-Signale durchläßt. Dies eliminiert im wesentlichen von Umgebungslicht erzeugte Signale aus den Sensoren 12 und 13. Das sich ergebende 15 kHz-Signal wird integriert, um einen Gleichstrompegel zu erhalten. Das Filtern und die Integration werden unabhängig für jeden Sensor 12 und 13 durchgeführt. Die zwei analogen Gleichstromsignale werden differentiell verglichen unter Lieferung des Ausgangssignals bei A′ und A, welches den Winkel Θ angibt, wie es zuvor be­ schrieben worden ist.

Obwohle der beste Modus zum Ausführen der vorliegenden Erfindung hier gezeigt und beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß Modifikationen und Ver­ änderungen vorgenommen werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erfassen des Winkels zwischen der Vorrichtung und einem projizierten Strahl, die aufweist:
eine Sperre;
einen primären Sensor, der von der Sperre beabstandet und position­ iert ist, um einen Teil des Strahls zu empfangen, der an der Kante der Sperre vorbei übertragen wird, um dadurch einen Signalausgang zu liefern, der den Teil des primären Sensors angibt, der dem auffallenden Strahlanteil ausgesetzt ist;
einen Referenzsensor, der benachbart zu dem primären Sensor positioniert ist und einen im wesentlichen konstanten Bereich hat, der dem projizierten Strahl ausgesetzt ist, um dadurch einen Sig­ nalausgang zu liefern, der die Strahlenintensität angibt; und
eine Einrichtung zum Empfangen der Signalausgänge des primären Sensors und des Referenzsensors, um einen resultierenden Signal­ ausgang zu schaffen, der den Winkel angibt, mit dem der auffallen­ de Strahl den primären Sensor schneidet, und bezüglich Schwankun­ gen der Intensität des projizierten Strahls kompensiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der Sperre und dem primären Sensor etwa dreimal die Breite des primä­ ren Sensors ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der primäre Sensor und die Sperre planare Elemente sind und im wesentlichen in parallelen Ebenen liegen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Referenzsensor ein planares Element ist und in derselben Ebene wie der primäre Sensor angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sperre und der primäre Sensor im wesentlichen planar sind und in im wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sind und wobei die Kante der Sperre im wesentlichen über der Mittellinie des primären Sensors angeord­ net ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der primäre Sensor eine Vielzahl von primären Sensoren umfaßt, wobei der Referenzsensor eine Vielzahl von Referenzsensoren aufweist und wobei die Sperre für den projizierten Strahl eine Vielzahl von Sperren aufweist, die jeweils von der Vielzahl von primären Strahlsensoren ist.

7. Verfahren zum Messen des Orientierungswinkels eines Gehäuses relativ zu der Richtung eines projizierten Strahls, mit den Schritten:
Empfangen des projizierten Strahls an einem Sensor und Liefern eines Sensorausgangs;
Abhalten eines Teils des Strahls davon, bei einem anderen Sensor empfangen zu werden, der benachbart zu dem einen Sensor angeord­ net ist, wobei der Teil des anderen Sensors, auf den der projizierte Strahl auftrifft, von dem Winkel zwischen dem Strahl und dem anderen Sensor abhängt, wodurch ein weiterer Sensorausgang gelie­ fert wird; und
Berechnen des Verhältnisses des Ausgangs des anderen Sensors zu dem Ausgang des einen Sensors, wodurch das Verhältnis den Winkel zwischen dem Strahl und dem anderen Sensor angibt, und zwar kompensiert bezüglich Veränderungen in der Strahlenintensität.