NL9101542A

NL9101542A - Meetinrichting voor het bepalen van de positie van een beweegbaar element t.o.v. een referentie.

Info

Publication number: NL9101542A
Application number: NL9101542A
Authority: NL
Original assignee: Robert Jan Proper
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-04-01
Also published as: CA2078044A1; EP0532125B1; US5298737A; EP0532125A1

Description

Titel: Meetinrichting voor het bepalen van de positie van een beweegbaar element t.o.v. een referentie.

De uitvinding heeft betrekking op een meetinrichting voor het bepalen van de positie van een beweegbaar element t.o.v. ten minste twee op afstand van elkaar gelegen referentie-organen, welk beweeglijk element een voortplantingsenergiegolf kan uitzenden die door de referentieorganen kan worden ontvangen, waarbij de ontvangen voortplantingsenergiegolf van elk der referentieorganen wordt toegevoerd aan een verwerkingseen-heid, voor het bepalen van de positie van het beweegbare element t.o.v. de referentieorganen.

Een dergelijke meetinrichting voor het bepalen van de positie van het beweegbare element t.o.v. de referentieorganen is op zich bekend. Daartoe wordt door het beweegbare element een geluidsgolf uitgezonden, die door een tweetal op afstand van elkaar gelegen referentieorganen in de vorm van microfoons wordt ontvangen. Uit het verschil in voortplantingstijd van de geluidsgolf vanaf het beweegbare element naar elk der microfoons wordt, met behulp van een verwerkingseenheid, de positie van het beweegbare element bepaaid.

Een bezwaar van een dergelijke op geluidsgolven werkende meetinrichting is dat de geluidsgolven een medium, zoals lucht, nodig hebben om zich te kunnen voortplanten. Zo zal een luchtverplaatsing bv. tocht, gevolgen hebben voor de ver-plaatsingsrichting van het geluid alsook de geluidsterkte. Verder zijn geluidsgolven gevoelig voor temperatuurverschillen daar de voortplantingssnelheid evenredig is aan de omgevingstemperatuur. Tocht en omgevingstemperatuur hebben derhalve een nadelige invloed op de juistheid van de meting.

Een verder bezwaar is dat de microfoons, behalve de geluidsgolven afkomstig van het beweegbare element, ook alle andere geluidsbronnen zullen detecteren. Bv. stemgeluid van personen, machines etc.

Daar de metingen in het algemeen worden verricht onder omstandigheden waar bovengenoemde bezwaren veelal in meerdere of mindere mate aanwezig zijn, is een dergelijke meetinrich-ting niet altijd even nauwkeurig, en de onnauwkeurigheid zal zeker groter worden naarmate de afstand van het beweegbare element tot de microfoons groter wordt.

Een ander bezwaar van deze bekende meet inrichting is dat de geluidsgolven in het algemeen worden verkregen door induc-tiegolven, hetgeen betrekkelijk hoge inductiespanning impliceert. Daar een dergelijke inductiespanning een negatieve invloed kan uitoefenen op de werking van nabij gelegen elektronica, wordt de inductie-opwekkende schakeling als een losse eenheid geleverd en dit is omslachtig. Bovendien is onder bepaalde omstandigheden een meting met geluidsgolven onbruikbaar, bv. wanneer het beweegbare element een object in de vorm van een gedrukte schakeling aftast. De inductiegolven kunnen nl. nadelige gevolgen hebben op de elektronica van de gedrukte schakeling.

Het doel van de uitvinding is derhalve te voorzien in een verbeterde meetinrichting die de bezwaren in hoofdzaak ondervangt .

Dit doel wordt bereikt doordat volgens de uitvinding de referentieorganen roteerbare voortplantingsenergiegolf reflecterende oppervlakken zijn die t.o.v. elkaar tegengesteld roteren en dat elk der reflecterende oppervlakken samenwerkt met een detector om de door de reflecterende oppervlakken teruggekaatste voortplantingsgolfenergie te detecteren en toe te voeren aan de verwerkingseenheid voor het berekenen van de positie van het beweegbare element.

Met de meetinrichting volgens de uitvinding wordt bereikt dat, door het toepassen van voortplantingsenergiegolf reflecterende oppervlakken bij voorkeur in de vorm van spiegels en waarbij de voortplantingsenergiegolf, bv. een laserbundel is, de meetinrichting ongevoelig is geworden voor storende invloeden, immers, een lichtbundel plant zich voort onafhankelijk van het medium waardoorheen de lichtbundel gaat en is derhalve ongevoelig voor temperatuurwisselingen, licht-verplaatsingen, etc. Ook op grote afstand is een lichtbundel zeer nauwkeurig op te vangen door de spiegels. Om een lichtbundel op te wekken kan men volstaan met een zeer geringe spanning. De schakeling die een dérgelijke laagspanning moet leveren kan derhalve zonder enig probleem op bv. een insteekkaart worden gemonteerd en ingebouwd worden in de verwerkings-eenheid. Men heeft dan geen losse spanningsleverende schakeling meer nodig.

Voor het met behulp van de roterende spiegels berekenen van de positie van het beweegbare element wordt, volgens de uitvinding, gebruik gemaakt van het feit dat de afstand van dit element tot elk der reflecterende oppervlakken met betrekking tot het aanvangsmoment van het uitzenden van bv. een lichtbundel door dit element een functie is van de fase-verschuiving t.o.v. de lichtgolfpulsen van een reeks van lichtgolfpulsen geleverd door de ene spiegel, en een reeks van lichtgolfpulsen geleverd door de andere spiegel, waarbij deze reeksen van lichtpulsen ontstaan als gevolg van de rotatie van de spiegels, alsook een functie is van de grootte van de rota-tiesnelheid.

Om deze berekening zo betrouwbaar mogelijk te krijgen is het gewenst dat de rotatiesnelheid van de beide spiegels hetzelfde is, d.w.z. dat de spiegels in elke hoekstand spiegel-symmetrisch t.o.v. elkaar roteren. Een dergelijke nauwkeurige rotatie geeft evenwel een aanzienlijke verzwaring aan de constructieve eisen van de meetinrichting. Echter kan men ook bij enige afwijking in de rotatiesnelheid door middeling van de pulsreeksen over een groot aantal omwentelingen toch een zeer nauwkeurige meting verkrijgen.

Echter kan men dit rotatieprobleem ondervangen doordat overeenkomstig een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding wordt voorzien in een startpulsgenerator voor het uitzenden van eveneens een voortplantingsenergiegolf, van bv. hetzelfde soort als die van het beweegbare element, en welke startpulsgenerator zodanig is gelegen , dat de door de startpulsgenerator uitgezonden voortplantingsenergiegolf door de reflecterende oppervlakken wordt teruggekaatst in een rotatiestand waarbij de teruggekaatste voort-plantingsenergiegolf kan worden gedetecteerd door de met de reflecterende oppervlakken samenwérkende detectoren, en waarbij de positie van het beweegbare element tot elk der reflecterende oppervlakken door de verwerkingseenheid kan worden berekend uit de doorlopen hoek tussen een tweetal hoekstanden van de reflecterende oppervlakken, waarbij in de ene hoekstand de voortplantingsenergiegolf van de zender wordt gedetecteerd, en in de andere hoekstand de voortplantingsenergiegolf van het beweegbare element wordt gedetecteerd, waarbij de doorlopen hoek een maat is voor de afstand van het beweegbare element tot de reflecterende oppervlakken.

Het voordeel van deze uitvoeringsvorm is dat de meting onafhankelijk is geworden van de rotatiesnelheid van de reflecterende oppervlakken en dat het evenmin van belang is dat de rotatiesnelheden van beide reflecterende oppervlakken gelijk moeten zijn, alsook dat de reflecterende oppervlakken steeds spiegelsymmetrisch t.o.v. elkaar roteren.

Een verder voordeel is dat de betrouwbaarheid van de meting aanzienlijk is toegenomen. Bovendien kan de meetafstand van het beweegbare element tot de reflecterende oppervlakken aanzienlijk toenemen, en kan bij het toepassen van een laserbundel de meetafstand in principe tot de horizon gemeten worden.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht en onder verwijzing naar de tekening.

Hierin toont: fig. l een uitvoeringsvoorbeeld van de meetinrichting; fig. 2 een variant op het uitvoeringsvoorbeeld van de meetinrichting van fig. 1; fig. 3 een diagram ten behoeve van een nadere uiteenzetting van fig. 2.

De in de fig. 1 getoonde uitvoeringsvorm bestaat uit een grondplaat l en een daarop aan een langszijde van de grond-plaat bevestigd huis 2. Het ten opzichte van het huis 2 uitstekende deel van de grondplaat 1 kan dienen als infor- matieoppervlak bv. door het daarop aanbrengen van voor de meting relevante informatie zoals een functieverdeling, assenstelsel, etc. (niet nader aangegeven) ten behoeve van een te meten object 3, dat daartoe op de gewenste wijze onder de grondplaat 1 wordt gelegd. Dit object kan een gedrukte schakeling zijn, een document of anderszins.

Met behulp van een beweegbaar element, bv. in de vorm van een penvormige houder 4, kan het object 3 worden af getast. Daartoe bezit de houder 4 een ten opzichte van de langs-richting daarvan indrukbare pen 5. In de pen 5 is bv. een laserbron (niet weergegeven) aangebracht, welke laserbron na het indrukken van de pen 5 in werking treedt. De benodigde spanning voor de laserbron kan vanuit een verwerkingseenheid 6 via een kabel 7 aan de houder 4 worden toegevoerd, in welke houder een in/uitschakelketen (niet weergegeven) is ondergebracht voor het inschakelen van de laserbron, bv. op het moment dat de pen 5 op het object 3 wordt gedrukt. Gelijktijdig met de door de laserbron uitgezonden lichtenergie wordt tevens via de in/uitschakelketen en een kabel 8 een start-signaal toegevoerd aan de verwerkingseenheid 6.

De uitgezonden lichtenergie_wordt opgevangen door een tweetal tegengesteld roterende spiegels 9 en 10, die in het huis 2 zijn ondergebracht. Deze spiegels staan op afstand van elkaar en draaien elk op assen 11,12 die evenwijdig t.o.v. elkaar staan. De door de spiegels 9 en 10 ontvangen lichtbundels a en b worden door de spiegels teruggekaatst en worden elk via een correctielens 13 en 14 geconvergeerd naar een punt Fj., f2. Ter plaatse van deze punten Fi en F2 is een lichtgevoelige detector 15,16 geplaatst, teneinde de lichtbundels a en b te kunnen detecteren die, via een op zich bekende logicaschakeling 17, worden toegevoerd aan de verwerkingseenheid 6 voor het berekenen van de positie P van de pen 5 op het object ten opzichte van de beide als referentie-organen dienende spiegels.

Als gevolg van het roteren van de spiegels zullen de door de spiegels teruggekaatste lichtbundels in de vorm van licht- pulsen worden toegevoerd aan de detectoren 15 en 16. Elk der spiegels levert derhalve een reeks van lichtpulsen. Afhankelijk van de positie van de pen zullen deze reeksen van lichtpulsen in meerdere of mindere mate t.o.v. elkaar in fase verschoven zijn. Uit deze in fase verschoven lichtpulsreeksen en uit het startsignaal kan door de verwerkingseenheid 6 op de bekende wijze de coördinaten van het punt P worden vastgelegd van het beweegbare element t.o.v. elk der spiegels. Voor de spiegel 9 zou dat zijn, blijkens fig. 1 Pa (x,y), en voor spiegel 10 Pb (c-x,y), waarbij c de afstand is tussen de beide spiegels, en waarbij de gestreepte lijnen 19 en 20 als grenslijnen zijn genomen waarbinnen de positie van het beweegbare element 4,5 kan worden vastgelegd. Het is evenwel duidelijk dat ook buiten deze grenslijnen 19 en 20 de positie van het beweegbare element kan worden vastgelegd, d.w.z. binnen die grenzen waartoe de spiegels nog in staat zijn het licht terug te kaatsen naar de detectoren. Voor posities links van de lijn 19 dient dan evenwel voor x een negatieve waarde te worden gekozen. De door de verwerkingseenheid 6 berekende coördinaten kunnen bv. worden weergegeven op een weergeefinrichting 18 of kunnen in een geheugen worden opgeslagen voor verder gebruik.

Door het steeds verplaatsen van het beweegbare element 4,5 kan het object 3 afgetast worden en kunnen zodoende alle afgetaste punten worden vastgelegd.

In fig. 2 is een uitvoeringsvoorbeeld gegeven van de meetinrichting die veel gelijkenis toont met die van fig. 1. Echter is bij deze uitvoeringsvorm het uitgangspunt voor de berekening anders. De grondslag van de berekening berust op de hoekverdraaiing van de spiegels 9 en 10 vanaf een gekozen eerste hoekstand naar een tweede hoekstand, die afhankelijk is van de plaats van het beweegbare element 4 op het object 3. Daartoe is in het huis 2 een startpulsgenerator 21 aangebracht voor het opwekken en uitzenden van een voortplantingsenergie-golf van hetzelfde soort als die van de pen 5. Het in werking stellen van de startpulsgenerator kan geregeld worden vanuit de verwerkingseenheid 6 via de lijn 22.

De startpulsgenerator is bij voorkeur gelegen nabij het gemeenschappelijke vlak van de roteerbare assen ll en 12, bv. in het midden tussen deze assen en wel zodanig dat de door de startpulsgenerator uitgezonden voortplantingsenergiegolf bv. in de vorm van een laserbundel door de spiegels 9 en 10 in een voorafgekozen hoekstand A, resp. B kunnen worden gedetecteerd door de detectoren 15 en 16. Als gevolg van het roteren van de spiegels zullen de detectoren bij elke omwenteling van de spiegels in de voorafgekozen hoekstand A, B een lichtpuls ontvangen van de startpulsgenerator. Er ontstaat derhalve een reeks van pulsen, die als startpulsen ti.....tn (zie fig. 3a, b) worden toegepast voor de berekening van de coördinaten van het punt P.

Wanneer nu de spiegels 9 en 10 de hoekstanden A', resp.

B' bereiken, wordt de vanaf het punt P door de pen 5 uitgezonden lichtbundel gedetecteerd door de detectoren 15 en 16 in de vorm van pulsen ta resp. tb . Uit het verschil tai-t! en tbi-tlf dat een maat is voor de doorlopen hoek α resp. β tussen de voorafgekozen hoekstand A, B en de hoekstand A' resp. B’ van de spiegels, kunnen door de verwerkingseenheid de coördinaten van P berekend worden. __

Het is duidelijk dat als de toegepaste spiegels aan beide zijden spiegelend zijn, de detectie van de lichtbundels bij elke halve omwenteling van de spiegels plaats vinden.

Een verder verschil met de uitvoeringsvorm van fig. 1 is dat de startkabel 8 niet meer nodig is, daar de functie hiervan is overgenomen door de startpulsgenerator 21. Door nu in de houder 4 een niet nader aangegeven batterij in te bouwen als energiebron voor de uit te zenden lichtbundel kan tevens worden afgezien van de kabel 7. De houder 4 is derhalve vrij beweegbaar geworden, hetgeen een plezierige bijkomstigheid is als men het punt P over een wat grotere afstand van de meet-inrichting wil registreren; immers over een grotere afstand kunnen de kabels 7 en 8 als hinderlijk worden ervaren.

Als referentieorganen zijn in de gekozen uitvoeringsvormen vlakke spiegels toegepast, die aan een of beide zijden spiegelend zijn. Het is duidelijk dat ook andere vormen kunnen worden toegepast, bv. cilindervormige organen waarvan de doorsnedevlakken loodrecht op de rotatieas 11,12, vierhoeken zijn en waarbij elk der opstaande zijden van het cilinder-oppervlak een spiegelend oppervlak is of in het algemeen vormen met doorsnedevlakken die veelhoeken zijn en waarvan het aantal zijden n > 2 is.

Indien gewenst kunnen de in de weergegeven uitvoeringsvormen toegepaste correctielenzen 13,14 worden weggelaten. Echter wordt dan de hoeveelheid door de detectoren opgevangen licht aanzienlijk gereduceerd. Dit behoeft evenwel geen bezwaar te zijn bij een goede keuze van de laserbron en van de lichtgevoelige detector.

Om het opvangen van vals licht door de detectoren tegen te gaan kan rond de bundel van het teruggekaatste licht tussen de spiegels en de bijbehorende detectoren eventueel een afschermkoker (niet weergegeven) worden aangebracht.

In plaats van een laserbron kan zowel in de pen 5 als in de startpulsgenerator 21 een infraroodbron worden aangebracht, waarbij dan de detectoren geschikt dienen te zijn voor het detecteren van het infrarood gedeelte van de lichtenergiegolf. Een voordeel van infrarood licht is dat omgevingslicht niet van invloed is op de meting, alhoewel een goed gekozen sterkte van de laserbron eveneens een eventueel storende invloed van omgevingslicht kan uitsluiten.

Claims

1. Inrichting voor het bepalen van de positie van een beweegbaar element t.o.v. ten minste twee op afstand van elkaar gelegen referentieorganen, welk beweeglijk element een voortplantingsenergiegolf kan uitzenden die door de referent ieorganen kan worden ontvangen, waarbij de ontvangen voortplantingsenergiegolf van elk der referentieorganen wordt toegevoerd aan een verwerkingseenheid voor het bepalen van de positie van het beweegbare element t.o.v. de referentieorganen, met het kenmerk, dat de referentieorganen roteerbare voortplantingsenergiegolf reflecterende oppervlakken (9;10) zijn die t.o.v. elkaar tegengesteld roteren, en dat elk der reflecterende oppervlakken (9;10) samenwerkt met een detector (15;16) om de door de reflecterende oppervlakken teruggekaatste voortplantingsgolfenergie te detecteren en toe te voeren aan de verwerkingseenheid (6) voor het berekenen van de positie van het beweegbare element (4,5).

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat voor het berekenen van de positie van het beweegbare element (4,5) de positie (afstand a,b) van het beweegbare element tot elk der reflecterende oppervlakken (9,10) met betrekking tot het aanvangsmomen van het uitzenden van de voortplantingsenergiegolf een functie is van de faseverschuiving t.o.v. de energiegolfpulsen van de reeks van energiegolfpulsen geleverd door het ene reflecterende oppervlak (9) en de reeks van energiegolfpulsen geleverd door het andere reflecterende oppervlak (10), waarbij deze reeksen van energiegolfpulsen ontstaan als gevolg van de rotatie van de reflecterende oppervlakken alsook een functie is van de grootte van de rotatie-snelheid.

3. Inrichting volgens conclusie l, met het kenmerk dat voorzien is in een startpulsgenerator (21) voor het uitzenden van eveneens een voortplantingsenergiegolf, en welke startpulsgenerator bij voorkeur zodanig is gelegen, dat de door de startpulsgenerator uitgezonden voortplantingsenergiegolf door de reflecterende oppervlakken worden teruggekaatst in een rotatiestand waarbij de teruggekaatste voortplantingsenergiegolf kan worden gedetecteerd door de met de reflecterende oppervlakken samenwerkende detectoren (15,16) en waarbij de positie van het beweegbare element (4,5) tot elk der reflecterende oppervlakken door de verwerkingseenheid (6) kan worden berekend uit de doorlopen hoek (α,β) tussen een tweetal hoekstanden van de reflecterende oppervlakken, waarbij in de ene hoekstand de voortplantingsenergiegolf van de startpulsgenerator wordt gedetecteerd en in de andere hoekstand de voortplantingsenergiegolf van het beweegbare element wordt gedetecteerd, en waarbij de doorlopen hoek (α,β) een maat is voor de positie van het beweegbare element tot de reflecterende oppervlakken.

4. Inrichting volgens conclusie 1-3', met het kenmerk, dat de voortplantingsenergiegolf een lichtenergiegolf is.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de lichtenergiegolf bv. een laserbundel of een infraroodgolf kan zijn.

6. Inrichting volgens ten mjnste een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat tussen elk reflecterend oppervlak (9;10) en bijbehorende detector (15;16) een correctielens (13;14) is aangebracht, zodanig dat ten minste een deel van de door de reflecterende oppervlakken teruggekaatste energiegolfbundel naar de detector toe wordt geconvergeerd.