DE3831417A1 - Optoelectronic absolute position encoder (displacement sensor) - Google Patents
Optoelectronic absolute position encoder (displacement sensor)Info
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein digitaler optoelektronischer Weg-Geber, mit der Fähigkeit einer absoluten Positionsmessung.The invention relates to a digital optoelectronic Path encoder, with the ability to measure absolute position.
Herkömmliche optoelektronische Wegmeßgeräte, wie Winkelkodierer, erfordern bei wachsender Auflösung überproportional steigende Baugröße und Fertigungskosten.Conventional optoelectronic position measuring devices, such as angle encoders, require disproportionately increasing as the resolution increases Size and manufacturing costs.
Bei Inkrementalgebern ist die Bauform günstiger, ebenso sind die Fertigungskosten geringer. Der Justier-Aufwand ist hoch, der nachteilige Effekt der nicht absoluten Messung muß oft durch hohen peripheren Aufwand kompensiert werden.In the case of incremental encoders, the design is cheaper, as are Manufacturing costs lower. The adjustment effort is high disadvantageous effect of the non-absolute measurement must often be high peripheral effort can be compensated.
Aufgabe der Erfindung ist, einen prinzipiell einfachen und leicht anfertigbaren Meßgeber zu entwickeln, bei dem die Meßproblematik nicht mehr an den hohen Aufwand bei Kodierscheiben, Mechanik und Optik gebunden ist.The object of the invention is a simple and easy in principle develop developable transducers in which the measurement problem no longer because of the high cost of coding disks, mechanics and Optics is bound.
Die Lösung der Aufgabe zeigt erfindungsgemäß einen optoelektro nischen Absolut-Weg-Geber mit den charakteristischen Merkmalen des Patentanspruches; die Komponenten sind aus dem Prinzipbild eines Winkelkodierers ersichtlich - siehe Bild 1; eine Transversalweg- Messung ist prinzipiell gleichartig (nur tivialer).The solution to the problem shows according to the invention an optoelectronic African absolute path encoder with the characteristic features of the claim; the components can be seen from the block diagram of an angle encoder - see Figure 1; a transverse path measurement is basically the same (only tivial).
Die Funktion - siehe Bild 1 - ist derart, daß die Position (Winkelstellung) des bewegten (rotierenden) Elementes (1) mittels der Lichtquelle (2), der angeflanschten Lichtschattenerzeuger- Scheibe (3) und des Lichtsensors (4) gemessen wird.The function - see Figure 1 - is such that the position (angular position) of the moving (rotating) element ( 1 ) is measured by means of the light source ( 2 ), the flanged light shadow generator disc ( 3 ) and the light sensor ( 4 ).
Die Lichtquelle (2) projeziert, mit oder ohne Optik, Licht auf den optoelektronischen Sensor (4). Infolge der Winkelstellung der Lichtschattenerzeugerscheibe (3) liegt der Sensor (4) mehr oder weniger im Lichtschatten der Lichtquelle. Der Lichtschatten wird optoelektronisch gemessen. Die Lichtschatten-Größe und -Konfiguration ist ein Maß für die Winkelstellung des rotierenden Elementes (1).The light source ( 2 ) projects, with or without optics, light onto the optoelectronic sensor ( 4 ). As a result of the angular position of the light shadow generator disc ( 3 ), the sensor ( 4 ) lies more or less in the light shadow of the light source. The light shadow is measured optoelectronically. The light shadow size and configuration is a measure of the angular position of the rotating element ( 1 ).
Im Falle der Winkelmessung kann der Lichtschattenerzeuger eine Kreisscheibe mit exzentrischer Lagerung sein, oder er kann ein anderweitig exzentrisch aufgebrachter Kreisfleck auf einer zentrisch gelagerten Kreisscheibe sein, oder es wird eine Spiral- Scheibe verwendet - wichtig ist nur die für jeden Drehwinkel signifikant verschiedene Lichtschattenerzeugung der drehenden Scheibe auf dem Lichtsensor.In the case of the angle measurement, the light shadow generator can be a Circular disc with an eccentric bearing, or it can be a otherwise eccentrically applied circular spot on one centric disk, or it will be a spiral Disc used - only the one for each angle of rotation is important significantly different light shadow generation of the rotating Disc on the light sensor.
Im Falle der Translations-Wegmessung kann der Lichtschattenerzeuger eine einfache Trapezgeometrie (Keil) haben. In the case of translation displacement measurement, the light shadow generator can have a simple trapezoidal geometry (wedge).
Die Auflösung des Gebers wird bestimmt vonThe resolution of the encoder is determined by
- - der lichtoptischen Auflösefähigkeit des Sensors (von Einfluß sind Größe, Lage und Zahl der Sensorzellen auf der Sensorfläche)- The optical resolution capability of the sensor (are of influence Size, position and number of sensor cells on the sensor surface)
- - Konfiguration und Baugröße des Lichtschattenerzeugers.- Configuration and size of the light shadow generator.
Statt Gesamtwegmessungen sind auch Messungen über beliebig definierbare Sektoren möglich - durch Kodierzusätze beim Lichtschattenerzeuger.Instead of total path measurements, measurements are arbitrary definable sectors possible - through coding additions at Light shadow generator.
Die Auflösung ist nicht auf die Auflösefähigkeit des Sensors beschränkt (nicht zwangs-proportional). Die Kombination der Sektor messung mit einer Absolutbereichsmessung (zur Sektoridentifikation) ermöglicht von der Sektoranzahl, Baugröße und Sensorgröße abhängige Auflösungen, die ein Vielfaches der Auflösefähigkeit des Flächen sensors sind.The resolution is not due to the resolving power of the sensor limited (not forcibly proportional). The combination of the sector measurement with an absolute range measurement (for sector identification) enables depending on the number of sectors, size and sensor size Resolutions that are multiples of the resolution of the area sensors.
Für die Meßwertverarbeitung ist eine Auswerte-Elektronik erforder lich; dabei ist die Verwendung eines Mikro-Computers sinnvoll - die Meßwertgewinnung (Lichtschatten-Interpretation) ist günstig realis ierbar und der Meßwert ist leicht als digitales (evtl. serielles) Signal ausgebbar.Evaluation electronics are required for processing the measured values Lich; it makes sense to use a microcomputer - the Obtaining measured values (light shadow interpretation) is cheap realis ible and the measured value is easily digital (possibly serial) Signal can be output.
Die erzielten Vorteile der Erfindung gegenüber anderen digital arbeitenden Absolut-Weg-Gebern sindThe advantages achieved by the invention over others digitally working absolute path encoders
- - höhere Auflösungsmöglichkeit (Meßgenauigkeit)- higher resolution (measuring accuracy)
- - kleinere Baugröße- smaller size
- - geringerer Bauaufwand- less construction work
- - geringerer mechanischer Montage- und Justier-Aufwand- Less mechanical assembly and adjustment effort
- - Kalibrier-Möglichkeit, auch bei montiertem Geber.- Calibration option, even when the encoder is installed.
Absolut-Winkel-Kodierer mit lichtempfindlichen Halbleiter- Flächensensor - siehe Bild 2.Absolute angle encoder with light-sensitive semiconductor area sensor - see Figure 2.
Die Komponenten des Ausführungs-Beispiels sindThe components of the execution example are
- (1) Welle( 1 ) wave
- (2) Leuchtdiode als Lichtquelle( 2 ) LED as light source
- (3) lichtundurchlässige Kreisscheibe mit exzentrischer Lagerung( 3 ) opaque circular disc with eccentric bearing
- (4) lichtempfindlicher Halbleiter-Flächensensor mit 2 · 128 · 256 Sensor-Zellen.( 4 ) Photosensitive semiconductor area sensor with 2 x 128 x 256 sensor cells.
Die absolute Winkelinformation ergibt sich bei dieser Realisierung funktional als Arcus-Cosinus der Lichtschatten-Überdeckung einer Sensor-Spalte. Zur Winkel-Quadrantenerkenung wird die Konfiguration der Lichtschattengrenze - (Neigung dx/dy), siehe Bild 2 - benutzt.In this implementation, the absolute angle information results functionally as the arc cosine of the light shadow coverage of a sensor column. The configuration of the light shadow boundary - (inclination dx / dy), see Figure 2 - is used for angular quadrant detection.
Für die Meßwert-Auflösung (Meßgenauigkeit) gilt hier Auflösung = 2 · 128 (Spalten) · 256 (Zeilen) = 65 536 = 64 kbit, was einer Auflösung von 16 bit entspricht.The following applies to the measurement resolution (measurement accuracy) Resolution = 2 * 128 (columns) * 256 (lines) = 65 536 = 64 kbit, which corresponds to a resolution of 16 bit.
Die Baugröße wird im Beispiel wesentlich von dem Lichtsensor und davon abhängig von der Lichtschattenerzeuger-Scheibe bestimmt, wenn, wie hier, keine Optik verwendet wird. In the example, the size is essentially determined by the light sensor and determined depending on the light shadow generator disc, if, as here, no optics are used.
Absolut-Winkel-Kodierer hoher Auflösung mit Lichtschatten- Sektorkodierung und Flächensensor gemäß Ausführungsbeispiel 1 - siehe Bild 3.Absolute angle encoder of high resolution with light shadow sector coding and area sensor according to embodiment 1 - see Figure 3.
Die Komponenten des Ausführungsbeispiels 2 sindThe components of embodiment 2 are
- (1) Welle( 1 ) wave
- (2) Leuchtdiode als Lichtquelle( 2 ) LED as light source
- (3) lichtdurchlässige Kreisscheibe mit exzentrisch aufgebrachtem und lichtundurchlässigem Kreisfleck nebst zentrischem Außenkreisring mit Sektor-Kodierung( 3 ) translucent circular disc with an eccentrically applied and opaque circular spot along with a central outer circular ring with sector coding
- (4) lichtempfindlicher Halbleiter-Flächensensor gemäß Ausführungsbeispiel 1.( 4 ) Photosensitive semiconductor area sensor according to embodiment 1.
Die absolute Sektoridentifikation erfolgt mittels des exzentrischen Schattenkreises (Winkelfunktion mit Quadrantenerkennung).The absolute sector identification takes place by means of the eccentric Shadow circle (angular function with quadrant detection).
Die absolute Position innerhalb eines Sektors erfolgt mittels des Sektor-Kodierringes (Vermessung der linearen Schattengrenze).The absolute position within a sector is done using the Sector coding ring (measurement of the linear shadow boundary).
Die Gesamtpostion (Wegmessung) ergibt sich aus der Multiplikation von interner Sektormessung mit der Sektor-Nummer.The total position (distance measurement) results from the multiplication of internal sector measurement with the sector number.
Die Auflösung wird damit bestimmtThis determines the resolution
- - von der Anzahl realisierbarer Sektoren- on the number of realizable sectors
- - der Auflösung innerhalb eines Sektors die wiederum abhängig sind von- dissolution within a sector which in turn depend on
- - der Gesamtbaugröße (Durchmesser des Lichtschattenerzeugers)- the overall size (diameter of the light shadow generator)
- - der Sensorauflösung und Sensorbaugröße.- the sensor resolution and sensor size.
Claims (1)
- - die Position eines rotatorisch (Drehwinkel-Messung) oder translatorisch sich bewegenden Elementes absolut gemessen wird, und zwar mittels einer Lichtquelle und einer Licht schattenerzeuger-Scheibe, die konfigurativ auf eine Flächenmessung mit einem optoelektronischen Flächensensor abgestimmt ist
- - für die Lichtschattenerzeuger-Scheibe keine Kodierung (mit einer Rasterung entsprechend der Meßwertauflösung des Sensors) notwendig ist
- - der Lichtschatten (bzw. die Umkehrung: der belichtete Teil) mittels eines optoelektronischen Flächen- (Zeilen-) Sensors von 1 bis m Spalten und 1 bis n Zeilen gemessen wird (Schat tengrenze oder Gesamtschattenbild)
- - die Meß-Sensorik berührungslos gegenüber dem zu vermessen den Element arbeit, und zwar weitgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen seitens der Mechanik (da mittels Software nur die für die Messung optimalen Einzelsensoren des Flächensensors ausgewählt und verwendet werden)
- - das Meßsystem direkt ein digitales elektronisches Meßwertsignal liefert
- - die Lichtschattenerzeuger-Scheibe eine Zusatz-Kodierung aufweisen kann, für Absolutmessung innerhalb eines Sektors, in Verbindung mit der Sektorerkenung über den Gesamtweg kodierschatten - zum Zwecke der Auflösungserhöhung über die Auflösefähigkeit des Flächensensors hinaus
- - eine Auflösungserhöhung durch Verwendung mehrerer optoelektronischer Sensoren möglich ist
- - die Verwendung einer Optik möglich ist - zur Anpassung der Lichtschattenscheibe an vorgebbare (kleine) Baugrößen.
- - The position of a rotating (angle of rotation measurement) or translationally moving element is measured absolutely, namely by means of a light source and a light shadow generator disk, which is configured for an area measurement with an optoelectronic area sensor
- - No coding (with a grid according to the measured value resolution of the sensor) is necessary for the light shadow generator disc
- - The light shadow (or the inversion: the exposed part) is measured by means of an optoelectronic surface (line) sensor from 1 to m columns and 1 to n lines (shadow limit or overall silhouette)
- - The measuring sensor system is contactless compared to the element to be measured, and largely independent of manufacturing tolerances on the part of the mechanics (since software only selects and uses the optimal individual sensors of the area sensor for the measurement)
- - The measuring system delivers a digital electronic measured value signal directly
- - The light shadow generator disc can have an additional coding, for absolute measurement within a sector, in conjunction with the sector recognition over the entire path coding shadow - for the purpose of increasing the resolution beyond the resolution capability of the area sensor
- - An increase in resolution is possible by using several optoelectronic sensors
- - The use of optics is possible - to adapt the light shadow disc to predeterminable (small) sizes.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883831417 DE3831417A1 (en) | 1988-09-15 | 1988-09-15 | Optoelectronic absolute position encoder (displacement sensor) |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19883831417 DE3831417A1 (en) | 1988-09-15 | 1988-09-15 | Optoelectronic absolute position encoder (displacement sensor) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3831417A1 true DE3831417A1 (en) | 1990-03-22 |
Family
ID=6363031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19883831417 Withdrawn DE3831417A1 (en) | 1988-09-15 | 1988-09-15 | Optoelectronic absolute position encoder (displacement sensor) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3831417A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0479759A1 (en) * | 1990-10-05 | 1992-04-08 | RSF-Elektronik Gesellschaft m.b.H. | Procedure and device for length or angle measurement |
| CH680017A5 (en) * | 1990-04-02 | 1992-05-29 | Ammann Lasertechnik | Photoelectrical length or angle measuring device - detects edge of shadow cast by light stop to detect position of displaced carriage |
| WO2002082019A1 (en) * | 2001-03-30 | 2002-10-17 | Melexis Nv | Flow meter remote reading systems |
| US7697127B2 (en) | 2008-02-22 | 2010-04-13 | Trimble Navigation Limited | Method and system for angle measurement |
-
1988
- 1988-09-15 DE DE19883831417 patent/DE3831417A1/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
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Legal Events
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |