DE2943932A1

DE2943932A1 - Positionsbestimmungsanordnung

Info

Publication number: DE2943932A1
Application number: DE19792943932
Authority: DE
Inventors: Jacques R Chamuel
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1980-06-19
Also published as: US4231260A; GB2034039B; FR2441147B1; JPS5576908A; FR2441147A1; JPS639169B2; CA1112328A; GB2034039A

Description

- 7 Patentanwälte

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

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

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: C 3258 30.Oktober 1979

THE CHARLES STARK DRAPER LABORATORY, Inc. Cambridge, Massachusetts, V.St.A.

Positionsbestimmungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Positionsbestimmungsanordnung insbesondere auf eine Anordnung zur Linear- und Winkelpositionsbestimmung. Die Anordnung ergibt eine selbsterregte Signalerzeugung und eine automatische Frequenzauswahl zum Kompensieren von Positionsfeststellungsfehlern auf Grund der Fortpflanzungsgeschwindigkeit elastischer Wellen, die aus Temperatureinflüssen auf das Verzögerungsmedium resultieren.

Eine Linear- und Winkelpositionsbestimmungsanordnung ist in der US-PS 4 035 762 beschrieben. Dabei sind verschiedene Ausführungsformen erläutert, mit deren Hilfe eine Position längs einer entweder geraden oder gekrümmten Linie oder auf einer ebenen oder krummlinigen Fläche mit hoher Genauigkeit und unter Aufwendung tragbarer Kosten gemessen werden kann. Die Schw/Ba

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beschriebenen Ausführungsformen erfordern allgemein zwei relativ bewegliche Teile. In einer bestimmten Ausführungsform kann beispielsweise eines der Teile aus einem fest angebrachten Treiberwandler und einer fest angebrachten Verzögerungsleitung bestehen, und ein zweites Teil kann ein Empfangswandler sein, der bezüglich des festen Treiberwandlers und der Verzögerungsleitung beweglich ist. Das Auflösungsvermögen der Abstandsmessung hängt von der Phasenverschiebung ab, die eine kontinuierliche elastische V/elle erfährt, die sich längs der Verzögerungsleitung in einer Richtung ausbreitet, die parallel zur zu messenden Strecke od*r längs dieser Strecke verläuft.

Verschiedene Ausführungsformen des oben geschilderten Konzepts sind in der genannten USA-Patentschrift beschrieben. Weitere Positionsbestimmungsanordnungen sind in den US-Patentanmeldungen SN 747 072 vom 2.Dezember 1976, SN 803 807 vom 6.Juni 1977 und SN 842 052 vom 14.Oktober 1977 beschrieben.

Es sind auch bereits andere Positionsbestimmungsanordnungen bekannt geworden, die sich von den in den obengenannten Patentschriften und Patentanmeldungen erörterten Anordnungen unterscheiden. Beispielsweise sind solche Anordnungen in der US-PS 3 121 955 und in dem Aufsatz "Precision Micropositioning Using Acoustic Surface Wave Variable Delay Lines" von J.P. Baker et al. in Review of Scientific Instruments, Band 45, Nr.1, 1974 beschrieben.

In allen diesen Anordnungen wird ein geeigneter Signalgenerator zur Erzeugung des Anregungssignals mit einer ausgewählten Wellenlänge dazu benutzt, ein elektrisches Signal einem

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Treiberwandler zuzuführen, der seinerseits eine wandernde elastische Welle erzeugt. Der Signalgenerator ist allgemein als Prazisionsoszillatorschaltung ausgeführt, und die Notwendigkeit für die Verwendung eines solchen Oszillators führt zu zusätzlichen Kosten und zu einem vergrößerten Platzbedarf für das Gesamtsystem. Temperaturänderungen verursachen überdies entsprechende Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der wandernden Welle,und es wird eine Temperaturkompensationsvorrichtung, beispielsweise eine dort beschriebene Phasenregelschaltung benötigt, damit die Frequenz des Treibersignals zur Kompensation der Laufzeitänderungen verändert wird, damit bei Vorhandensein von Temperaturschwankungen die gleiche Wellenlänge aufrecht erhalten wird. Die Verwendung der Phasenregelschaltung ermöglicht zwar eine Kompensation aller Faktoren, die die Phase des empfangenen Signals beeinflussen, ob sie nun auf Grund von Temperatureinflüssen auf das Ausbreitungsmedium oder auf Grund anderer Ursachen auftreten, doch bringt das Erfordernis einer solchen Phasenregelschleife ebenfalls eine Erhöhung der Kosten und eine Vergrößerung des Platzbedarfs der gesamten Positionsbestimmungsanordnung mit sich.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es daher erwünscht, den Bedarf nach einer eigenen, von einem Präzisionsoszillator gebildeten Signalquelle zu beseitigen und in wirksamer Weise für eine Kompensation von Temperaturänderungen zumindest im Laufzeitmedium zu sorgen, die eine möglichst große Vereinfachung der Struktur und eine Reduzierung der Gesamtkosten ergibt, während gleichzeitig immer noch eine Positionsbestimmung mit hohem Auflösungsvermögen möglich ist.

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Die Erzeugung von Schwingungssignalen in Verzögerungsmedien ist natürlich allgemein bekannt. Beispielsweise sind bereits mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Oszillatorvorrichtungen für diesen Zweck angewendet worden. Beispiele solcher Oszillatoren sind in dem Aufsatz "Surface-Acoustic-Wave Oscillators" von J.Crabb.et al., in Electronics Letters, 17.Mai 1973, Band 9, Nr.10, Seiter 195 bis 197 und in dem Aufsatz "Improvements to the SAW Oscillator" von R.Bale et al, IGEE Cat., Nr.74, CHO 896-ISU, Seiten 272 bis 275, 1974 Ultrasonics Symposium Proceedings beschrieben. Ein Oszillator zur Bestimmung der Temperaturen eines wandernden Metallstreifens ist in der US-PS 3 186 226 beschrieben.

Keine dieser Vorrichtungen ist jedoch bisher in Positionsbestimmungsanordnungen verwendet worden.

Die nach der Erfindung ausgebildete Positionsbestimmungsanordnung ermöglicht das Weglassen einer entsprechenden Signalquelle und die Kompensation von Temperaturänderungen im Verzögerungsmedium. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Wandler mit periodischer Form, beispielsweise ein Leiter, der in einem periodischen Muster, wie einem periodischen Rechteckmuster,mit einer Wellenlänge gleich der Wellenlänge des gewünschten Wanderwellensignals verläuft, fest in Bezug auf die Verzögerungsleitung angebracht. Ein fest angebrachter Treiberwandler, beispielsweise eine Spule, wird von einem hochverstärkenden Verstärker gespeist, dessen Eingang mit de» in Form eines periodischen Rechteckmusters verlaufenden Leiter verbunden ist. Ein Rauschausgangssignal aus dem Verstärker regt die Treiberwandlerspule mit mehreren Frequenzen an, die ihrer-

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seite Komponenten elastischer Wellen bei diesen Frequenzen erzeugen ; die Komponenten der Welle wandern längs der Verzögerungsleitung. Der Leiter wirkt als Empfangswandler, der in erster Linie auf die Frequenzkomponente anspricht, die die gleiche Wellenlänge wie sein periodisches Muster hat. Der wie eine Rechteckwelle verlaufende Leiter wirkt daher wie ein Filter, das dem hochverstärkenden Verstärker ein Eingangssignal mit einer bestimmten ausgewählten Frequenz zuführt, wobei dieses Signal mit der Signalkomponente am Verstärkerausgang in Phase ist, die eine Wellenlänge hat, die der vom Empfangswandler vorgeschriebenen ausgewählten Wellenlänge entspricht. Sein Ausgangssignal wird vom hochverstärkenden Verstärker verstärkt, so daß sich ein Anregungssignal mit der ausgewählten Frequenz für den Treiberwandler ergibt. Die gesamte Anordnung arbeitet daher selbsterregt, wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers genügend groß zur Überwindung von Signalverlusten in der Verzögerungsleitung ist.

Da die Frequenz des Anregungssignals von der mittleren Wellenlänge des periodischen Musters gesteuert wird,ändert sich bei einem Ausdehnen oder einem Zusammenziehen des periodischen Musters auf Grund von Temperaturschwankungen in der Verzögerungsleitung die Schwingungsfrequenz in der Weise, daß eine feste Beziehung zwischen dem Phasenwinkel des elektrischen Signals und dem Phasenwinkel des Wanderwellensignals aufrechterhalten wird, was eine Kompensation solcher Temperaturschwankungen ergibt.

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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung bei spielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, in der ein Wandler in Form eines periodischen Rechteckmusters verwendet wird,

Fig.2 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung einer Position auf der Oberfläche eines ebenen Verzögerungsglieds,

Fig.3 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Isotropie eines ebenen Körpers und

Fig.4 eine andere Ausführungsform der Anordnung von Fig.1.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig.1 dargestellt ist, ist eine magnetostriktive Verzögerungsleitung 10, die an ihren beiden Enden mit Signaldämpfungselementen 1OA zur Verhinderung von Signalreflexionen in der Leitung versehen ist, wie in der obengenannten UStPS 4· 035 762 angegeben ist, so angebracht, daß eine Bestimmung eines Abstandes "X" längs der Richtung der Verzögerungsleitung ermöglicht wird. Ein hochverstärkender Verstärker gibt ein Rauschsignal aus mehreren Signalkomponenten mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen an einen Treiberwandler 12 ab, der von einer an einer bekannten Stelle mit der magnetostriktiven Verzögerungsleitung 10 gekoppelten

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Spule gebildet ist. Das Anregen der Spule 12 erzeugt mehrere Komponenten wandernder elastischer Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen, die sich in der Richtung "X" längs der Verzögerungsleitung 10 bewegen.

Das Eingangssignal des Verstärkers 11 wird von einem Leiterelement 13 geliefert, das in Form eines periodischen Rechteckmusters ausgeführt ist; dieses Leiterelement ist so mit der Verzögerungsleitung 10 gekoppelt, daß es die Anwesenheit der Wanderwellenkomponenten längs der Verzögerungsleitung feststellt. Das periodische Muster des Leiterelements 13 hat die Wellenlänge λ > und das Leiterelement ist bezüglich der Verzögerungsleitung 10 an einem festen Ort angebracht. Die elastische Welle, die längs der Verzögerungsleitung 10 wandert, enthält als eine Komponente eine Welle, deren Frequenz der Wellenlänge λ entspricht. Wenn das Leiterelement 13 die Anwesenheit solcher V/anderwellenkomponenten feststellt, wirkt es wie ein Filter, das auf die Frequenz der Frequenzkomponente mit der V/ellenlänge λ abgestimmt ist. Das auf diese Weise vom Leiterelement empfangene Signal wird dem Eingang des Verstärkers 11 in Phase mit der Signalkomponente am Verstärkerausgang zugeführt, die die entsprechende Frequenz hat, so daß sich eine Schwingung der der Wellenlänge λ entsprechenden Frequenz ergibt, wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ausreichend groß ist, um Signalverluste zu überwinden, die in der Verzögerungsleitung aiftreten können. Wegen der Filterwirkung des periodischen Leiterelements 13 ergibt sich

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die Schwingung nur bei dieser Frequenz, so daß eine Verstärkte Welle mit dieser Frequenz, die auf den Abstand des periodischen Musters zugeschnitten ist, längs der Verzögerungsleitung 10 wandert. Die in Fig.1 dargestellte Anordnung wirkt als selbsterregte Signalquelle, und es ist keine externe Prazisionssignalquelle erforderlich, die bei dieser Frequenz arbeitet. Für den Betrieb der Anordnung wird eine Vormagnetisierung benötigt, wie in der erwähnten USA-Patentschrift und in den genannten Patentanmeldungen angegeben ist.

Zur Messung des Abstandes "X" vom Treiberwandler 12 wird ein Empfangswandler 14 benutzt, der nach Fig.1 als Drahtschleife ausgeführt ist, die sich relativ zur Verzögerungsleitung 10 und daher relativ zum Treiberwandler 12 (und zum periodischen Leiterelement 13) bewegt. Die Drahtschleif· 14 wirkt als Empfangswandler, und der Abstand "X" kann durch Messen des Phasenunterschieds zwischen dem Phasenwinkel des Schwingungssignals am Treiberwandler 12 und dem Phasenwinkel des am Empfangswandler 14 festgestellten Wanderwellensignals bestimmt werden. Die entsprechende Messung kann in einer geeigneten Phasendetektorschaltung 15 durchgeführt werden.

Wie in der erwähnten USA-Patentschrift genauer ausgeführt ist, kann es bei solchen Positionsmessungen unter Verwendung kontinuierlicher Wellensignale der oben angegebenen Art erforderlich sein, sowohl eine Grobmessung als auch eine Feinmessung durchzuführen, wobei bei der Grobmessung die Anzahl ganzer Zyklen des kontinuierlichen Wellensignals

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zwischen dem Treiberwandler 12 und dem Empfangswandler 14 bestimmt wird, so daß sich eine Bestimmung des ungefähren Abstandes bis innerhalb eines Zyklus (d.h. einer Wellenlänge) ergibt. Die Phasendifferenz, die innerhalb einer solchen Wellenlänge bestimmt wird, ergibt daraufhin einen Feinmeßwert für den Gesamtabstand zwischen dem Treiberwandler und dem Empfangswandler mit einer gewünschten Genauigkeit, die von der Frequenz des verwendeten kontinuierlichen Wellensignals bestimmt wird. Da Beispiele für geeignete Verfahren zur Erzielung solcher Grob- und Feinmessungen bereits in der genannten USA-Patentschrift und in den angegebenen Patentanmeldungen erläutert sind, werden hier keine weiteren Einzelheiten beschrieben; der Einfachheit halber sollen diese Grob- und Feinmessungen in dem Phasendetektor von Fig.1 und in entsprechenden Schaltungsblöcken in nachfolgenden Figuren durchgeführt werden.

Es kann dafür gesorgt werden, daß das Eingangssignal des Verstärkers 11 mit der ausgewählten Frequenz mit der Ausgangssignalkomponente in Phase 1st, die die entsprechende Frequenz hat, indem der Abstand zwischen dem Treiberwandler 12 und dem Leiterelement 13 entsprechend eingestellt wird. Es kann aber auch eine geeignete Phasenregelschaltung dazu verwendet werden, diese Phasenbeziehung aufrecht zu erhalten.

Der normalerweise für Positionsmessungen erforderliche externe Präzistonsoszillator, wie er in der oben erwähnten USA-Patentschrift erläutert ist, erübrigt sich also auf Grund der Verwendung des periodischen Wellenmusters des

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Leiterelements 13, das die in Fig.1 dargestellte selbsterregte Oszillatorschaltung zur Erzielung eines gewünschten Signals mit einer Frequenz für den Positionsmessvorgang ergibt.

Ein v/eiterer Vorteil der in Fig.1 dargestellten Anordnung ist ihre Fähigkeit, automatisch über einen brauchbaren Bereich Temperaturschwankungen zu kompensieren, die eine entsprechende Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der kontinuierlichen Wanderwelle in der Verzögerungsleitung bewirken. Wie bereits in der USA-Patentschrift angegeben ist, erfordern solche TemperatürSchwankungen normalerweise zusätzliche Kompensationsvorrichtungen, beispielsweise Phasenregelschaltungen, die die GeschwindigkeitsSchwankungen kompensieren und die Frequenz des extern erzeugten Treibersignals so verändern, daß die gleiche Wellenlänge des längs der Verzögerungsleitung laufendien Signals aufrechterhalten wird. In der in Fig.1 dargestellten Anordnung wird diese Frequenz jedoch automatisch von der mittleren Wellenlänge des Reehteckmusters des Leiterelements 13 gesteuert. Wenn sich das Rechteckmuster des Leiterelements auf Grund von Temperatüränderungen in der Verzögerungsleitung gleichmäsig ausdehnt oder zusammenzieht, ändert sich zumindest über einen gewissen Schwankungsbereich die Schwingungsfrequenz in entsprechender Welse, so daß eine Beziehung zwischen dem Phasenwinkel des Wanderwellensignals und dem Phasenwinkel des elektrischen Anregungssignals aufrechterhalten wird. Wellenlängenänderungen auf Grund von Temperaturänderungen der Verzögerungsleitung werden daher automatisch kompensiert, so daß eine Phasenregelschal tung für diesen Zweck nicht mehr benötigt wird.

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Phasengeschwindigkeitsänderungen des Empfangssignals können jedoch auch aus anderen Gründen auftreten. In diesen Fällen kann es erwünscht sein, zur Erzielung einer Kompensation solcher Änderungen eine Phasenregelschaltung gemäß der erwähnten USA-Patentschrift in der mit Selbsterregung arbeitenden Positbnsbestimmungsanordnung zu verwenden. Wenn sich die Temperatur der Verzögerungsleitung über einen relativ großen Bereich ändert, kann der geschilderte automatische Kompensationsablauf zur Erzielung der Kompensation unzureichend sein,wobei es in manchen Fällen unmöglich sein kann, das Eingangssignal und das Ausgangssignal des Verstärkers zur Schwingungsanregung phasengleich zu halten, so daß die Verwendung einer Phasenregelschaltung für diesen Zweck notwendig sein kann.

Die Anzahl der Zyklen des periodischen Musters des Leiterelements 13 kann entsprechend dem Anwendungsfall der Positinnsbestimmungsanordnung ausgewählt werden. Je größer die Anzahl dieser Zyklen ist, desto schärfer ist die Filterwirkung des periodischen Leiterelements. Die Filterwirkung kann auch durch Verwendung einer auf die gewünschte Frequenz abgestimmten externen Filterschaltung zwischen dem periodischen Leiterelement 13 und dem Eingang des Verstärkers 11 verbessert werden, falls dies erwünscht ist.

Die mit Selbsterregung arbeitende PositiDnsbestimmungsanordnung, die oben unter Bezugnahme auf ihre Verwendung im Zusammenhang mit einem geradlinigen Verzögerungsleitungselement zur Messung eines Abstandes längs einer geradlinigen

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Richtung erläutert wurde, kann natürlich auch zur Positionsbestimmung unter anderen Bedingungen eingesetzt werden. Die hier beschriebene, mit Selbsterregung arbeitende Anordnung kann in verschiedenen linearen, winkelmässigen und krummlinigen Meßsystemen verwendet werden, die in der oben angegetenen USA-Patentschrift und den genannten Patentanmeldungen erläutert sind.

Die Anwendung der Positionsbestinunungsanordnung in allen diesen Systemen ist dem Fachmann auf Grund der obigen Beschreibung zwar klar, doch soll als Beispiel hier noch die Anwendung der Anordnung zur Positionsbestimmung auf einer ebenen Oberfläche beschrieben werden.

Der ebene Aufbau von Fig.2 enthält ein Verzögerungselement in Form einer Platte 20 aus ferromagnetischem Material. Ein Treiberwandler 21, wie er in den Figuren 16 und 16A der erwähnten US-PS 435 762 beschrieben ist, ist an einer ausgewählten Stelle oder in einem ausgewählten Bereich auf der Oberfläche der Platte 20 angebracht. Ein Wandler 22, der aus mehreren in Serie geschalteten, im ausgewählten Abstand voneinander liegenden konzentrischen Spulen 23 besteht, ist in einem ausgewählten Bereich der Oberfläche im Abstand vom Bereich des Wandlers 21 angebracht, wie der Darstellung zu entnehmen ist. In der dargestellten AusfUhrungsform ist der Wandler 22 mit dem Eingang eines Verstärkers 24 verbunden, dessen Ausgang mit dem Wandler 21 verbunden ist, wobei die Rollen der Wandler 21 und 22 natürlich bezüglich ihrer Verbindungen mit dem Verstärker 24 auch vertauscht werden können.

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Im vorliegenden Fall wirkt derWandler 22 in der gleichen Weise wie das periodische Leiterelement 13 von Fig.1, so daß eine sich nach allen Richtungen ausbreitende akustische Welle mit einer vom Abstand der Elemente des Wandlers 22 bestimmten Wellenlänge ( und Frequenz ) am Wandler 21 erzeugt wird.

Die am Wandler 21 erzeugten akustischen Wellensignale werden mittels eines Dämpfungsmaterials 25, beispiels weise mittels Dämpfungsgummi, der um die Ränder der Platte 20 angebracht ist, in geeigneter Weise gedämpft, damit Reflexionen der akuttischen Welle an den von den Rändern gebildeten Unstetigkeitsstellen verhindert werden.

A'uf der Oberfläche der Platte 20 sind mehrere Empfangswandler 26 angebracht. Wie in der erwähnten USA-Patent schrift angegeben ist, werden die multiplexierten Ausgangssignale dieser Wandler und das Eingangssignal des Wandlers 21 einer Rechenanordnung zugeführt, damit die ausgewählte Position des Wandlers 21 bezüglich des Wandlers 26 berechnet wird.

Ein weiterer Anwendungsfall für die mit Selbsterregung arbeitende Anordnung von Fig.2 kann unter Bezugnahme auf Fig.3 beschrieben werden. Wie in dieser Figur·«zu erkennen ist, können der Wandler 21 und der periodische Wandler fest in Bezug aufeinander angebracht werden, während sie relativ zur Oberfläche der Platte 20 gemeinsam beweglich sind. Wenn die Eigenschaften der Platte 20 im wesentlichen homogen sind, d.h. die Platte isotrop ist, also gleiche l'ip;enschaften in allen Richtungen hat, ist die Ausbreitungs-

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geschwindigkeit einer akustischen Welle in der Platte und damit die Wellenlänge und die Frequenz einer solchen akustischen Welle in allen Richtungen konstant.

Wenn durch die Tätigkeit der Wandler 21 und 22 und des Verstärkers 24 eine selbsterregte akustische Welle erzeugt wird, kann deren Frequenz mittels einer herkömmlichen Frequenzmeßvorrichtung 28 gemessen werden. Die Wandler 21 und 22 können in passender Weise in Bezug auf die Oberfläche der Platte 20 bewegt werden, wie als Beispiel durch die gestrichelten Linien angegeben ist, und die Frequenz der selbsterregten akustischen Welle kann an der neuen Position bestimmt werden. Da sich die akustische Welle der Platte 20 in einem Fall in einer ersten Richtung 29 und im anderen Fall in einer zweiten Richtung 30 bewegt, zeigt eine Änderung der Frequenz eine Änderung der Eigenschaften der Platte 20 längs jeder dieser Richtungen an, wobei vorausgesetzt wird, daß die Vormagnetisierung konstant gehalten wird.

Ba die Wandler so angebracht werden können, daß sie sich relativ zur Platte 20 bewegen, können dieEigenschaften der Platte 20 längs so vieler unterschiedlicher Richtungen gemessen werden, wie dies erwünscht ist« Auf diese Weise kann die Isotropie der Platte 20 unter Verwendung der beschriebenen Anordnung gemessen werden. Einer der Wandler oder 22 könnte aber auch beispielsweise in der Mitte der Platte 20 fest angebracht werden, und der andere Wandler könnte so angebracht werden, daß er längs einer Kreisbahn um den fest angebrachten Wandler bewegt werden kann. Frequenzänderungen des beim Bewegen des beweglichen

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Wandlers löngs der kreisförmigen Bahn empfangenen Signals ergeben eine Anzeige der Isotropie der Platt· 20.

Die Periode des periodischen Leiterelements von Fig.1 kann so ausgewählt werden, daß sich das gewünschte Auflösungsvermögen ergibt. Je kürzer die Periode ist, d.h. je höher die Frequenz ist, desto beseer ist das Auflösungsvermögen.

Wie in Fig.h dargestellt ist, ist ein periodisches Leiterelement 30 ausgewählt,das eine zu einem Signal mit der Wellenlänge Λ führende Periode hat, während ein periodisches Leiterelement 31 mit längerer Periode vorgesehen ist, das ein Signal mit einer niedrigeren Frequenz und demzufolge mit einer größeren Wellenlänge * liefern kann. Wenn der Schaltkontakt 32 mit dem Punkt B verbunden ist, wird eine Wanderwelle mit höherer Frequenz erzeugt, während beim Anschluß des Schaltkontakts am Punkt C eine Wanderwelle mit niedrigerer Frequenz erzeugt wird.

Die Verwendung von zwei periodischen Leiterelementen, beispielsweise den Leiterelementen 30 und 31 zur Erzeugung von Signalen mit zwei verschiedenen Frequenzen, ermöglicht ein Verfahren zur Grobmessung und Feinmessung einer Entfernung. Die Verwendung der zvei verschiedenen Frequenzen führt zur Erzeugung von Signalen mit zwei verschiedenen Wellenlängen. Ein Verfahren zur Erzielung von Grob- und Feinmessungen bei Anwendung von Signalen mit zwei verschiedenen Wellenlängen ist

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in der bereits erwähnten USA-Patentanmeldung SN 747 072 in der Fig.13 erläutert. Die Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen werden dabei zwar gleichzeitig erzeugt, doch werden sie in der Ausführungsform von Fig.4 abwechselnd unter Anwendung der dargestellten Umschaltmöglichkeit von den Leiterelementen 30 und 31 erzeugt. Unter Anwendung der Multiplexierung können dnnn die Grob- und Feinmessungen des Abstandes entsprechend den in der erwähnten Patentanmeldung angegebenen Verfahren durchgeführt werden.

Der Wandler 13 von Fig.1 und die Wandler 30 und 31 von Fig.4 sind zwar mit periodischen Rechteckwellenmustern dargestellt, doch kann Jedes periodische Feld von Elementen verwendet werden, wie es in Fig.3 der US-PS 4 035 762 dargestellt ist. Beispielsweise können mehrere getrennte, in Serie geschaltete Spulen periodisch im Abstand längs der Verzögerungsleitung angebracht werden, wobei der Abstand die Periode und damit die Frequenz des auf diese Weise durch Selbsterregung erzeugten Signals bestimmt .

Als weitere Alternative, zu der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der der Treiberwandler und das periodische Leiterelement beispielsweise dicht bei einem magnetostruktiven Verzögerungsleitungselement angebracht sind, können solche Elemente auch innerhalb eines hohlen Ver_ zögerungsleitungselements angebracht werden. Der Treiberwandler und das periodische Leiterelement können im Inneren

eines Hohlzylinders, beispielsweise eines Rohrs, befestigt werden,das aus einem zur Aufrechterhaltung einer Wanderwelle geeigneten Material hergestellt ist. Diese Elemente sind angrenzend an die Innenwand des Verzögerungsleitungselements

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angebracht, während der bewegliche Empfangswandler angrenzend an die Außenwand angebracht ist. In manchen Anwendungsfällen kann ein solcher Aufbau notwendig oder erwünscht sein; er stellt außerdem sicher, daß der Empfangswandler wirksam gegen die Treiberwandlfirelemente abgeschirmt ist, wenn eine solche Abschirmung für den besten Betrieb der Anordnung von Nutzen ist.

In der Anordnung von Fig.1 werden zwar ein fest angebrachter Wandler 13 und ein beweglicher Empfangswandler 14 benutzt, doch kann der Abstand X zumindest relativ grob auch ohne den Wandler 14 bestimmt werden. Wenn das periodische Leiterelement 13 beweglich bezüglich des Wandlers 12 (oder umgekehrt)angebracht ist, so daß er selbst als Empfangswandler wirkt, ändern sich die Amplitudeneigenschaften des auf diese Weise erzeugten selbsterregten Signals in periodischer Weise mit einer der Periode des Wandlers entsprechenden Periode, wobei die sich ändernden Eigenschaften von der Schärfe der Filterwirkung des Leiterelements 13 abhängen. Ein mit einer Frequenz innerhalb desFilterbandes schwingendes Signal wird von der Schleife erzeugt, solange ein innerhalb dieses Frequenzbandes liegendes Eingangssignal am Verstärker mit einer AusgangsSignalkomponente des Verstärkers in Phase ist.

Bei einer relativ breiten Bandfilterwirkung des Leiterelements 13 wird ein Schwingungssignal erzeugt, wenn sich das Leiterelement 13 bewegt, bis es sich in eine wirksame Nullposition bewegt, in der kein phasengleiches Eingangssignal vorhanden ist, so daß kein Wanderwellensignal auftritt. Die Feststellung

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solcher Nullpositionen (d.h. das Fehlen eines Wanderwellensignals ) durch das Leiterelement 13 ergibt eine Anzeige für Positionsänderungen des Leiterelements 13 in relativ grober Weise innerhalb dem Äquivalent einer Wellenlänge der Periode des Leiterelements.

Bei einer relativ schmalen Bandfilterwirkung des Leiterelements 13 wird ein relativ scharfes Schwingungssignal und somit ein Wanderwellensignal erzeugt, wenn sich das Leiterelement über eine Strecke bewegt, die gleich einer Wellenlänge ist (während eines Hauptteils der Bewegung über diese Strecke tritt ein Nullsignal auf). Die Feststellung der Anwesenheit eines solchen wandernden Signals durch das Leiterelement 13 ergibt eine Anzeige für die Positionsänderungen des Leiterelements 13 wieder in einem relativ groben Sinn bis auf einen Wert innerhalb einer Wellenlänge.

Wenn die Dämpfungselemente 1OA weggelassen werden, so daß an den Rändern des Verzögerungselements 10 Reflexionen auftreten, wird im Verzögerungselement eine stehende Welle mit den gleichen Frequenz- und Amplit^idenschwankungen erzeugt* Die Anwesenheit der stehenden Welle verbessert die Fähigkeit, die Nullpunkte oder die Schwingungspunkte festzustellen, wenn sich das Leiterelement 30 längs des Verzögerungselements bewegt;es können also die relativen Positionen des Wandlers 12 und des Leiterelements 13 bis auf eine Wellenlänge des Schwingungssignals bestimmt werden.

Das unter Ausnutzung stehender Wellen arbeitende Verfahren kann auch zur genaueren Positionsbestimmung angewendet

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werden; es kann auch zur Erzielung der Wirkungsweise eines Funktionsdrehmelders benutzt werden, wie in der USA-Patentanmeldung SN 803 807 unter Bezugnahme auf die Figuren 25 und 26 erläutert ist. Wenn die Dämpfungselemente 1OA von Fig.1 nicht benutzt werden, und die relativen Positionen des Wandlers 12 des Leiterelements 13 fest sind, wird eine stehende Welle mit einer vom periodischen Leiterelement bestimmten Frequenz erzeugt. In diesem Fall ermöglicht die Verwendung des beweglichen Wandlers 14 eine genaue Überwachung der Amplitude der stehenden Welle, wobei die Amplitude die exakte Position längs der stehenden Welle repräsentiert. Zur Erzielung einer Arbeitsweise entsprechend einem Funktionsdrehmelder, bei der der Sinus und der Cosinus des Phasenwinkels der stehenden Welle bestimmt werden kann, werden zwei in entsprechendem Abstand voneinander befindliche Wandler als bewegliche Empfangswandler benutzt. Der Abstand und die Wirkungsweise ist beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig.25 der zuvor genannten USA-Patentanmeldung erläutert.

Weitere Abwandlungen der oben beschriebenen AusfUhrungsbeispiele sind möglich. Wie in den oben erwähnten USA-Patentanmeldungen ausgeführt ist, können die Wandler in verschiedener Weise geformt sein, insbesondere so, wie in Fig.3 der US-PS 4 035 762 dargestellt ist. Der Treiberwandler 12 kann beispielsweise in Form eines periodischen Musters und nicht in Form der in Fig.1 dargestellten Spule ausgebildet sein. Wenn sowohl der Wandler 12 als auch das Leiterelement 13 eine periodische Form haben, sind ihre Wellenlängen gleich. Außerdem können die Rollen des Treiberwandlers und des Empfangswandlers vertauscht werden. Das Material der Verzögerungsleitung

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ist in einer bevorzugten Ausführungsform zwar als magnetostriktives Material beschrieben worden, das unter Anwendung der elektromagnetischen Kopplung arbeitet, doch ist difl Erfindung weder auf ein solches Material noch auf ein solches Kopplungsverfahren beschränkt. Beispielsweise können leitende Materialien^ in denen der Umsetzungsmechanismus auf Lorentz-Kräften beruht, angewendet werden. Außerdem kann eine elektrostatische Umsetzung zur Erzeugung elektrostatischer V/ellen in piezoelektrischen Materialien oder zur Erzeugung magnetostatischer Wellen in magnetischen Materialien benutzt werden und auch die Anwendung einer mechanischen Kopplung zur Erzeugung von Wanderwellen in einem geeigneten Medium ist möglich. Die Positionsbestimmung kann auch dazu benutzt werden, die Positionsänderungsgeschwindigkeit festzustellen, so daß sie also für Geschwindigkeitsmessungen eingesetzt werden kann, wie ebenfalls in der bereits erwähnten USA-Patentanmeldung SN 7^7 072 erläutert ist.

Bei Messungen auf einer ebenen Oberfläche wie im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 erläutert ist, und nicht bei der Verwendung von Treiberwandlern in Form von Spulen zur Erzeugung von sich in allen Richtungen ausbreitenden Wanderwellen, können die Treiberwandler auch in Form von verteilten Wandlern zur Erzeugung ebener V/ellen eingesetzt werden.

Die Erfindung hier hier zwar im Zusammenhang mit mehreren Ausfiihrunftsbeispielen beschrieben worden, doch ist für den Fachmann ohne weiteres erkennbar, daß im Rahmen der Erfindung Abänderungen möglich sind.

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Claims

THE CHARLES STARK DRAPER LABORATORY, Inc. Cambridge, Massachusetts, V.St.A. Patentansprüche

1. Positionsbestimmungsanordnung,gekennzeichnet durch wenigstens eine Verzögerungsvorrichtung, die ein Signal aufrechterhalten kann, das sich längs der Verzögerungsvorrichtung bewegt, einen ersten Wandler, der an die Verzögerungsvorrichtung angeschlossen ist und im aktivierten Zustand ein längs der Verzögerungsvorrichtung Wanderndes Signal mit wenigstens einer ausgewählten Frequenz erzeugen kann, wenigstens einen zweiten Wandler, der an die Verzögerungsvorrichtung angeschlossen ist, und in Abhängigkeit von dem wandernden Signal wenigstens ein elektrisches Signal erzeugt, das die eine ausgewählte Frequenz aufweist, eine auf das eine elektrische Signal ansprechende Verstärkervorrichtung, die ein Ausgangssignal aus mehreren Signalkomponenten unterschiedlicher Frequenz erzeugt, wobei wenigstens eine der Signalkomponenten die eine ausgewählte Frequenz aufweist, und wobei das eine elektrische Signal mit der wenigstens einen Signalkomponente, die die eine ausgewählte Frequenz hat, in Phase ist, eine Vorrichtung zum Zuführen des Ausgangssignals zu dem ersten Wandler zu dessen Aktivierung, einen mit der Verzögerungsvorrichtung gekoppelten, relativ dazu beweglichen Empfangswandler zur Feststellung des wandernden Signals, wenn es sich an ihm vorbeibewegt, Schw/Ba

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ORIGINAL INSPECTED

eine Vorrichtung zur Bestimmung der Laufzeit des festgestellten Signals vom ersten Wandler zum Empfangswandler für die Bestimmung der Position des Empfangswandlers in Bezug auf den ersten Wandler und eine Vorrichtung zum Herabsetzen der Reflexionen des wandernden Signals in der Verzögerungsvorrichtung.

2. Anordnung nachAispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Verzögerungsvorrichtung eine krummlinige Verzögerungsleitung ist und eine Wanderwelle aufrechterhält, die sich längs einer bestimmten Richtung bewegt.

3. Anordnung nachAnspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung im wesentlichen geradlinig ist und daß sich die Wanderwellen im wesentlichen längs einer geraden Linie bewegen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wandler und der zweite Wandler relativ fest bezüglich der Verzögerungsvorrichtung angebracht sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Wandlern so gewählt ist, daß das elektrische Signal und die eine Signalkomponente in Phase sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Steuern der Phase des elektrischen Signals in der Weise, daß das elektrische Signal und die eine Signalkomponente in Phase sind,

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stetiervorrichtung eine Phasenregelschaltung ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wandler periodisch geformt ist, wobei die

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Periode der Periode der einen ausgewählten Frequenz entspricht, so daß die periodische Form eine effektive Filterwirkung bezüglich des elektrischen Signals ergibt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Perioden der periodischen Form des zweiten Wandlers zur Steuerung der Filterwirkung des zweiten Wandlers ausgewählt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Filterschaltung, die an den zweiten Wandler angeschlossen ist und auf das elektrische Signal zur weiteren Steuerung der Filterwirkung des zweiten Wandlers anspricht.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wandler aus einem kontinuierlichen leitenden Element besteht, das mehrere miteinander verbundene Rechteckmuster bildet, wobei die Periode jedes der Rechteckmuster entsprechend der einen ausgewählten Frequenz ausgewählt ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wandler aus mehreren in Serie geschalteten einzelnen Spulen besteht, deren Abstand entsprechend der einen ausgewählten Frequenz ausgewählt ist.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung als Hohlzylinder ausgebildet ist, daß der erste und der zweite Wandler im Inneren des Hohlzylinders angebracht und mit der Zylinderinnenwand gekoppelt sind, und daß der Empfangswandler außerhalb des Hohlzylinders angebracht und mit der Zylinderaußenwand gekoppelt ist.

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14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung eine ebene Oberfläche hat und wandernde Signale aufrechterhalten kann, die sich innerhalb der Verzögerungsvorrichtung nach allen Richtungen bewegen.

15. Anordnung zur Bestimmung der Isotropie eines ebenen Körpers, der in ihm wandernde Signale aufrechterhalten kann, gekennzeichnet durch einen mit dem ebenen Körper gekoppelten ersten Wandler, der im aktivierten Zustand ein sich nach allen Richtungen bewegendes Signal mit einer ersten ausgewählten Frequenz erzeugt, wobei sich dieses wandernde Signal in dem ebenen Körper in allen Richtungen ausbreitet, einen zweiten Wandler mit periodischer Ausgestaltung, der mit dem ebenen Körper gekoppelt ist und das sich nach allen Richtungen ausbreitende Signal feststellt, damit er ein elektrisches Signal mit der wenigstens einen ausgewählten Frequenz erzeugt, einen auf das elektrische Signal reagierenden Verstärker, der ein aus mehreren Signalkomponenten mit unterschiedlichen Frequenzen bestehendes Ausgangssignal erzeugt, wobei eine der Signalkomponenten die eine ausgewählte Frequenz aufweist, wobei das elektrische Signal mit der einen Signalkomponente, die die eine ausgewählte Frequenz aufweist, in Phase ist, eine Vorrichtung zum Zuführen des Ausgangssignals zu dem ersten Wandler zu dessen Aktivierung, eine abhängig von dem Ausgangssignal arbeitende Vorrichtung zur Nessung der Frequenz des Ausgangssignals, und eine Vorrichtung zum Bewegen wenigstens eines der beiden Wandler relativ zur ebenen Oberfläche des ebenen Körpers, so daß sich das zwischen den beiden Wandlern bewegende Signal längs

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mehrerer unterschiedlicher Wege in dem ebenen Körper aust-^eiteliwobei die Frequenz der dadurch erzeugten Ausgangssignale von den Eigenschaften des ebenen Körpers in den Richtungen der mehreren unterschiedlichen Wege abhängt, sodaß Frequenzänderungen der Ausgangssignale die Isotropie des ebenen Körpers angeben.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Wandler fest bezüglich der ebenen Oberfläche angebracht ist und daß der andere Wandler die feste Position längs eines ausgewählten Wegs beweglich ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Weg allgemein kreisförmig ist.

18. Positionsbestimmungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wandler aus mehreren auswählbaren Wandlern zusammengesetzt ist, die jeweils mit der Verzögerungsvorrichtung gekoppelt sind und mehrere elektrische Signale erzeugen können, die mehrere ausgewählte Frequenzen aufweisen, wobei die uswahl eines der mehreren Wandler ein wanderndes Signal ergibt, dem die ausgewählte Frequenz zugeordnet ist.

19. Anordnung nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wandler aus zwei Wandlern zusammengesetzt ist, die mit der Verzögerungsvorrichtung gekoppelt sind und zwei elektrische Signale mit zwei verschiedenen Frequenzen erzeugen, damit zwei getrennte wandernde Signale mit jeweils einer der zwei Frequenzen entstehen, daß der Empfangswandler die wandernden Signale getrennt feststellt, wenn sie sich an ihm vorbeibewegen, und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die abhängig von den festgestellten wandernden Signalen die Position

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des Empfangswandlers bezüglich des ersten Wandlers feststellt.

20. Positionsbestimmungeianordnung, gekennzeichnet durch wenigstens eine Verzögerungsvorrichtung, die ein Signal aufrechterhalten kann, das sich längs der Verzögerungsvorrichtung bewegt, einen ersten Wandler, der an die Verzögerungsvorrichtung angeschlossen ist und im aktivierten Zustand ein längs der Verzögerungsvorrichtung wanderndes Signal mit wenigstens einer ausgewählten Frequenz erzeugen kann, wenigstens einen zweiten Wandler, der an die Verzögerungsvorrichtung angeschlossen ist und in Abhängigkeit von dem wandernden Signal wenigstens ein elektrisches Signal erzeugt, das die eine ausgewählte Frequenz aufweist, eine auf das eine elektrische Signal ansprechende Verstärkervorrichtung, die ein Ausgangssignal aus mehreren Signalkomponenten unterschiedlicher Frequenz erzeugt, wobei wenigstens eine der Signalkomponenten die eine ausgewählte Frequenz aufweist, und wobei das eine elektrische Signal mit der wenigstens einen Signalkomponente, die die eine ausgewählte Frequenz hat, in Phase ist, eine Vorrichtung zum Zuführen des Ausgangssignals zu dem ersten Wandler zu dessen Aktivierung, wobei der zweite Wandler relativ beweglich in Bezug auf den ersten Wandler und in Bezug auf die Verzögerungsvorrichtung angebracht ist und die Anwesenheit oder die Abwesenheit des wandernden Signals in der Verzögerungsvorrichtung feststellen kann, wenn sich der zweite Wandler relativ dazu bewegt^ so daß die Position des zweiten Wandlers in Bezug auf den ersten ^Wandler bestimmt wird.

21« Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Reduzieren von Reflexionen des wandernden Signals in der Verzögerungsvorrichtung.

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