DE3200204A1 - Optisches messgeraet - Google Patents

Description

Dipl.-Ing.

Rolf Charrier

Patentanwalt

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Augsburg, den 5. Januar 1982

Smiths Industries Public■Limited Company 765 Finchley Road,

GB-London NWIl 8DS, England Optisches Meßgerät

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßgerät zum Messen des Abstands einer veränderlichen WeggröQe von einer ersten Bezugsstellung mit mindestens einer einen Lichtstrahl erzeugenden Lichtquelle und mit mindestens einem Lichtstrahlempfänger, die auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind sowie mit einer eine Stricheinteilung aufweisenden Skala, welche relativ zum Lichtstrahl durch diesen hindurch bewegbar ist.

Derartige optische Meßgeräte dienen u.a. zum Messen der Stellung und des Wegs eines Betätigungsglieds in einem Regelsystem. Hierbei soll die Weggröße digital gemessen werden und die Augenblicksstellung des Betätigungsglieds angeben.

Hierbei besteht die Aufgabe, das Meßgerät so auszubilden, daß ohne komplizierte elektronische Schaltungen eine der zum messenden Weggröße entsprechende Impulszählung möglich ist.

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Gelöst ufird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das Meßgerät zur Erzeugung eines digitalen Ausgangs, der der veränderlichen Weggröße entspricht, besteht im wesentlichen aus mindestens einem Lichtstrahlemitter und mindestens einem Lichtstrahlempfänger, welche auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind, einer digital kodierten Skala, welche zwischen den Lichtstrahlemittern un3.dem Empfänger angeordnet ist, welche kreisförmig ausgebildet ist und deren Stricheinteilung radial verläuft, einem Antriebsmittel zur Erzeugung einer Relativdrehung zwischen dem Lichtstrahl und der Skala mit einer Drehachse, welche zentrisch zur Scheibenachse verläuft, einer ersten Bezugsstellung, welche in Bezug auf die Skala stationär ist, einer zweiten Bezugsstellung, deren winkelmäßige Stellung in Bezug auf die erste Bezugsstellung abhängig ist, von der veränderlichen Weggröße, wobei durch den Lichtstrahl empfänger die Lichtimpulse gezählt werden, die auf ihn auftreffen während der Relativdrehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung sowie Einstellmittel, zum Einstellen der zweiten Bezugsstellung relativ zur ersten Bezugsstellung in Abhängigkeit der veränderlichen Weggröße.

Hierbei sind zwei Ausführungsbeispiele im wesentlichen möglich:

In einem ersten Ausführungsbeispiel sind ein Lichtstrahlempfänger und ein Lichtstrahlemitter stationär angeordnet und die Skala befindet sich auf einer Scheibe, die in Drehung versetzt wird. Die Skala weist eine Bezugsmarkierung

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auf. Konzentrisch zur Scheibe drehbar angeordnet ist eine zweite Anordnung eines Emitters und eines Empfängers vorgesehen, dessen vi/inkelmäßige Stellung zur erstgenannten Anordnung abhängig ist von der veränderlichen Weggröße. Wandert die Bezug.smarkierung der Skala durch den ersten Lichtstrahl, wird ein Startimpuls erzeugt und sodann von einem der Lichtempfänger die Impulse gezählt, welche durch die Stricheinteilung der Skala erzeugt M/erden. Durchwandert die Bezugsmarkierung den zweiten Lichtstrahl, wird ein Stoppimpuls erzeugt, der die Zählung beendet.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die vorgenannte Skala starr angeordnet und durch einen Motor wird der Emitter und der Empfänger in Drehung versetzt. Im kreisförmigen Weg des Lichtstrahles ist eine Maske angeordnet, deren winkelmäßige Stellung in Bezug auf die Bezugsmarkierung der Skala abhängig ist von der zu messenden veränderlichen Weggröße. Wandert der Lichtstrahl bei seiner Drehung durch die Bezugsmarkierung, dann wird ein Startimpuls erzeugt und sodann die Impulse gezählt, bis der Lichtstrahl auf die Maske auftrifft, wodurch ein Stoppimpuls erzeugt wird, der die Zählung der Impulse beendet.

Zwei Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die vorgenannte erste Ausführungsform;

Fig. 2 einen Schnitt durch die vorgenannte zweite Ausführungsform und

Fig. 3 einen Teil der Skala im Bereich der Bezugsmarkierung .

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Das Meßgerät gem. Fig. 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf. Eine digital kodierte Scheibe 2 ist zentrisch auf einer Welle 3 eines Elektromotors 4 angeordnet, welcher an einer Endwandung des Gehäuses 1 angeordnet ist. Wird der Motor 4 bestromt, dann dreht sich die Scheibe 2. Die Scheibe 2 ueist an ihrem Umfang eine optische Skala in Form eines Bandes auf, welches längs des gesamten Umfangs verläuft und welches aus radial verlaufenden Linien besteht. Diese Skala ist in Fig. 3 gezeigt und besteht aus wechselweise angeordneten lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Linien sodaß, wenn der Lichtstrahl durch die Skala hindurch von einer Seite der Scheibe aus betrachtet wird und die Scheibe sich dreht eine Serie von Lichtimpulsen entsteht. Mit Ausnahme einer Bezugsstellung weist die Skala regelmäßig angeordnete Linien auf. Die Lichtimpulse können als Binärkode angesehen werden, wobei beispielsweise ein Lichtimpuls dem Binärwert "eins" und kein Lichtimpuls dem Binärwert "Null" entspricht. Bei der Bezugsstellung weist die Skala eine spezielle Kodierung auf, wie dies in der Mitte der Fig. 3 dargestellt ist, wobei diese Spezialkodierung aus einem relativ breiten lichtdurchlässigen und einem lichtundurchlässigen Feld besteht. Wird der Motor 4 kontinuierlich in Drehung versetzt, dann stellen die Lichtimpulse sowohl serienmäßige als auch Absolutwerte der jeueiligen Stellung der Scheibe 2 dar, wobei die Spezialkodierung als Anfangsbezug für jeden Zyklus dient.

Eine erste optische Einheit 5 ist fest im Gehäuse 1 angeordnet und definiert eine erste Bezugsstellung des kreisförmigen Wegs, durch welchen die Skala sich bewegt, wenn die Scheibe sich dreht. Diese optische Einheit besteht aus einem Lichtstrahlemitter 7 und einem Lichtstrahlempfänger 8, welche an gegenüberliegenden Seiten der Skala angeordnet sind.

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Eine entsprechende zweite optische Einheit 6 , bestehend aus einem Lichtemitter 7 und einem Lichtempfänger 8 stellt eine zweite Bezugsstellung des kreisförmigen Wegs dar, durch welchen die Skala sich hindurch bewegt. Die zweite optische Einheit 6 ist an einer drehbaren Welle 9 angeordnet , welche koaxial zur Motorwelle 3 verläuft . Eine Drehung der Welle 9 bewirkt eine Einstellung des winkelmäßigen Abstands der optischen Einheit 6 zur optischen Einheit- 5 um das Zentrum der Scheibe 2 herum. Die Welle 9 stellt die-Eingangswelle des Meßgeräts dar. Diese Welle 9 ist beispielsweise mit einem mechanischen Betätigungsglied verbunden, dessen winkelmäßige Stellung gemessen werden soll, so daß die Drehung der Welle 9 proportional ist mit der Verstellung des Betätigungsgliedes.

Die Lichtstrahlemitter und die Lichtstrahlempfänger beider optischen Einheiten 5 und 6 weisen Linsensysteme auf, welche einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind. Anstelle von Linsensystemen können auch Lichtleitfasern verwendet werden, deren Enden unmittelbar an der Scheibe 2 angeordnet sind und welche als Emitter und Empfänger dienen. Jeder Lichtstrahlemitter 7 ist über ein Glasfaserkabel 10 verbunden mit einer Lichtquelle, beispielweise mit einer Lichtemitterdiode. Die Lichtstrahlempfänger 8 sind verbunden mit einem Lichtstrahldetektor, welcher als elektro-optische Schnittstelle dient.

Die Lichtquelle und der Detektor können vom Meßgerät entfernt angeordnet sein und können in einem Gehäuse angeordnet sein , welches gegenüber elektromagnetischen Feldern abgeschirmt ist. Eine derartige Anordnung eliminiert die Möglichkeit der Verfälschung der Meß-

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signale durch starke Felder. Der Lichtdetektor spricht auf die vorerwähnten Helligkeitsänderungen an, welche durch die spezielle Kodierung der Skala der Scheibe 2 bewirkt «/erden. Die optischen Fasern 10 und 11, welche der optischen Einheit 6 zugeordnet sind, sind um die Welle 9 herumgeführt bzw. herumgewickelt, um die Drehung der optischen Einheit 6 zusammen mit der Welle 9 zu erleichtern.

Im Betrieb wird die Scheibe 2 kontinuierlich in Drehung versetzt durch den Motoj: 4, wodurch sich die Scheibe 2 in einer Richtung dreht. Die optischen Einheiten 5 und 6 tasten kontinuierlich die Skala ab. Wenn die Spezialkodierung der Skala an der optischen Einheit 5 vorbeigeht, dann wird dies durch den dortigen Detektor erfasst und hierdurch ein Startsignal erzeugt. Sodann werden die Lichtimpulse gezählt, welche im Empfänger 8 entweder der optischen Einheit 5 oder der optischen Einheit 6 auftreten, bis die Spezialkodierung der Skala an der optischen Einheit 6 vorbei wandert, was von dem dortigen Detektor erfasst wird, der somit ein das Ende der Zählung bewirkendes Signal erzeugt. Auf diese Weise wird bei jeder Drehung der Scheibe 2 eine digitale Zählung erzeugt, welche dem winkelmäßigen Abstand zwischen den optischen Einheiten 5 und entspricht. Dieser winkelmäßige Abstand kann verändert werden durch Drehen der Welle 9 in Abhängigkeit von einer Verstellung eines Betätigungsglieds, dessen Stellung zu messen ist. Bei einer Veränderung des winkelmäßigen Abstandes wird die digitale Zählung verändert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 weist das Heßgerät ein zylindrisches Gehäuse 21 auf. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 1 ist die optische Skala

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an einem ringförmigen Teil 22 angeordnet, welches nicht drehbar im Gehäuse 21 befestigt ist. Außerdem ist nur eine einzige optische Einheit 23 vorgesehen, bestehend aus einem Lichtstrahlemitter 24 und einem Lichtstrahlempfänger 25, u/obei diese optische Einheit 23 gegenüber der kreisförmigen Skala drehbar ist ,: um diese Skala abtasten zu können. Die Skala am ringförmigen Teil 22 ist die gleiche,wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und beschrieben und weist eine Spezialkodierung auf, welche die Bezugsposition für den Start einer Zählung darstellt. Die optische Einheit 23 bildet Teil einer Baueinheit 26 , u/elche drehbar in Lage'rn 27 gelagert ist. Die Baueinheit 26 bildet einen Permanentmagnetrotor 28 eines elektrischen Motors, dessen Wicklungen mit 29 bezeichnet sind. Alternativ dazu kann der Motor als Wirbelstrommotor ausgebildet sein.

Der Lichtstrahlemitter 24 und der Lichtstrahlempfänger 25 weisen , wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben Linsensysteme auf, u/obei der Emitter 24 und der Empfänger 25 an optische Fasern 30 und 31 angeschlossen sind, u/elche einerseits zu einer Lichtquelle und andererseits zu einem Lichtdetektor führen. Die optischen Fasern 30 und 31 drehen sich zusammen mit der Baueinheit 26 und sind angeschlossen an stationäre optische Fasern 32 und 33, welche zur Lichtquelle und zum Detektor führen. Die optischen Fasern 30, 32 einerseits bzw. die optischen Fasern 31 und 33 andererseits bilden an ihren aneinander stoßenden Enden jeweils eine Verbindung 41 , welche in der Drehachse der Baueinheit 26 angeordnet ist. Die optische Faser 32 wird hierbei gehalten, von einem Verbindungsstück 34.

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Das Meßgerät \i/eist eine Eingangszeile 35 auf, welche die gleiche Funktion hat wie die Welle 9 in Fig. 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch stellt die Welle die Stellung einer nicht blockierenden Maske ein und zwar längs des kreisförmigen Wegs der Skala, so daß über einen Teil dieses Wegs das Licht nicht auf den Empfänger 25 aufzutreffen vermag. Die Maske 36 ist ein Teil eines Bauteils 37, welches die Baueinheit 26 umgibt. An einem Ende ist dieses Bauteil 37 mit einer Schulter 38"versehen, welche von einem Lager 42 gelagert wird, so daß das Bauteil 37 um die Baugruppe 26 herum drehbar ist. Die Schulter ist außen mit einer ringförmigen Verzahnung versehen, welche in Eingriff steht mit einem Zahnrad 39, welches auf der Eingangswelle 35 angeordnet ist. Eine Drehung der Welle 35 bewirkt somit eine entsprechende Drehung der Maske 36.

Im Betrieb dreht sich die Baugruppe 26 und damit die optische Einheit 23 kontinuierlich in einer Richtung, wobei der Antrieb über den Elektromotor erfolgt, so daß die optische Einheit 23 die Skala abzutasten vermag. Wenn die optische Einheit 23 die Spezialkodierung der Skala überstreicht, dann wird hierdurch ein Startsignal führ die Zählung erzeugt. Wenn sodann die optische Einheit an der Maske 36 vorbeigeht, wird ein Stoppsignal für die Zählung erzeugt. Zwischen diesen beiden Signalen erfolgt eine Zählung der Lichtimpulse, welche vom Detektor über den Empfänger 25 bewirkt wird. Die Arbeitsweise des Meßgeräts nach Fig. 2 ist daher im Prinzip die gleiche wie beim Meßgerät nach Fig. 1 , d.h. eine veränderliche digitale Zählung wird erzeugt abhängig vom winkelmäßigen Abstand zwischen den Bezugsstellungen längs des kreisförmigen Wegs der Skala , wobei eine Bezugsstellung ver-

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änderbar ist durch die Eingangszeile 35.

Eine Vorteil des Meßgeräts besteht darin, daß keine synchronen Taktimpulse durch eine Wandlerelektronik erzeugt M/erden müssen, an welche sonst die Lichtdetektoren angeschlossen sind. Das erfasste Signal enthält selbst eine Kodierung für den Start und das Ende der Zählung. Veränderungen in der Impulsfolge infolge Änderungen der Motordrehzahl wirken sich hierbei' auf die Messung nicht aus. Infolge der Trägheit der rotierenden Massen, innerhalb des Meßgeräts wirken sich kurzzeitige Unterbrechungen bei der Bestromung des Motors ebenfalls nicht aus. Durch Veränderung der Motordrehzahl kann die Abtastgeschwindigkeit in weiten Grenzen variiert werden. Durch die Anwendung einer motorangetriebenen Abtastung ergibt sich weiter der Vorteil, daß es einfach ist, eine inkrementale Kodierung in eine Absolutkodierung mit einem seriellen Ausgang umzuwandeln . Durch die Verwendung optischer Fasern bei den optischen Signalwegen treten elektromagnetische Interferenzen nicht auf.

Bezüglich des Meßgeräts nach Fig. 1 ist noch zu erwähnen die Messung der relativen Phase der beiden Impulsreihen, welche von den beiden Empfängern erzeugt werden. Mittels einer entsprechenden Elektronik ist es möglich hierdurch die Auflösung des Meßgeräts über eine Bitgröße hinaus zu steigern und den Augenblickswert der Eingangsgröße zu erfassen, wenn deren Wert sich verändert.

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Claims (10)

1. Dipl.-Ing.

   Rolf Charter

   Patentanwalt

   Rehlingenstraße 8 · Postfach 260

   D-8900 Augsburg 31
   Telefon 08 21/3 6015+3 6016

   Telex 53 3 275

   Postscheckkonto: München Nr 1547 89-801 Ann).: Smiths Industries Public Ltd. Co.

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   Ansprüche

   Optisches Meßgerät zum Messen des Abstands einer veränderlichen Weggröße von einer Bezugsstellung mit mindestens einer, einen Lichtstrahl erzeugenden Lichtquelle und mit mindestens einem Lichtstrahlenempfänger, die auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind sowie mit einer eine Stricheinteilung aufweisenden Skala, welche relativ zum Lichtstrahl durch diesen hindurch bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Skala kreisförmig ausgebildet ist und deren Striche radial verlaufen, diese Skala mindestens eine Bezugsmarkierung aufweist , eine kontinuierliche Relativdrehung zwischen Lichtstrahl und Skala erzeugt wird, die erste Bezugsstellung durch eine stationäre Lage längs des Wegs der kreisförmigen Skala und eine zweite Bezugsstellung in Abhängigkeit der veränderlichen Weggröße durch eine veränderbare Lage längs des Wegs der kreisförmigen Skala definiert werden und die Lichtimpulse gezählt werden, welche bei der Relativdrehung zwischen den beiden Bezugsstellungen am Lichtstrahlempfänger auftreffen.
2. 2. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala sich dreht, die erste Bezugsstellung durch eine erste stationäre Anordnung (5) einer Lichtquelle und eines Lichtempfängers und die

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   zweite Bezugsstellung durch eine zweite Anordnung (6) einer Lichtquelle und eines Lichtempfängers definiert ist, wobei die winkelmäßige Lage der zweiten Anordnung (6) durch die veränderliche WeggröQe bestimmt wird, die Bezugsmarkierung der Skala beim Lichtempfänger der ersten Anordnung (5) einen Startimpuls und beim Lichtempfänger der zweiten Anordnung (6) einen Stoppimpuls erzeugt und die Lichtimpulse zwischen Start- und Stoppimpuls durch einen der Lichtempfänger gezählt werden.
3. 3. Optisches Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsmarkierung der Skala eine von der Stricheinteilung abweichende Markierung ist.
4. 4. Optisches Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmarkierung mindestens ein Strich ist, dessen Breite und Abstand größer ist als die übrige Stricheinteilung der Skala.
5. 5. Optisches Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch g e -

   k e η η ζ e i c h η e t , d a ß die Skala am Rand einer Scheibe (2) angeordnet ist, welche von einem Elektromotor (4) in Drehung versetzt wird.
6. 6. Optisches Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anordnung (6) einer Lichtquelle und eines Lichtempfängers auf einem drehbaren Bauteil angeordnet sind, dessen Drehachse konzentrisch zur Achse der Scheibe (2) verläuft.

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7. 7. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala stationär angeordnet ist, die Lichtquelle (24) mit dem Lichtempfänger (25) sich konzentrisch zur Skala drehen, wobei die erste Bezugsstellung durch die Bezugsmarkierung der Skala definiert ist, die zweite Bezugsstellung durch eine Maske (36) gebildet wird, welche sich längs der Skala zu drehen vermag und deren winkelmäßige Stellung durch die veränderliche Weggröße bestimmt wird, die Bezugsmarkierung der

   ■ Skala beim Lichtempfänger einen Startimpuls und die Maske einen Stoppimpuls erzeugt und die Lichtimpulse zwischen Start- und Stoppimpuls durch den Lichtempfänger gezählt werden.
8. 8. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Licht quelle über reine Glasfaserleitung angeschlossen ist und der Lichtempfänger mit einem Detektor über eine Glasfaserleitung verbunden ist.
9. 9. Optisches Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die einen Enden der Glasfaserleitungen auf die Skala gerichtet sind und an die anderen Enden die Lichtquelle und der Detektor angeschlossen sind.
10. 10. Optisches Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den auf die Skala gerichteten Enden der Glasfaserleitungen optische Linsensysteme angeordnet sind.

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