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Verfahren und Vorrichtung zur optisch-elektronischen, berührungslosen
Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes, insbesondere zur
Untersuchung seines Schwingungsverhaltens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optisch-elektronischen, berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines beleuchteten, mit einem Bezugspunkt versehenen Gegenstandes, insbesondere zur Untersuchung des Schwingungsverhaltens eines solchen Gegenstandes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es sind bereits optisch-elektronische Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Beobachtung des Bewegungsablaufs von insbesondere in Schwingungen versetzten Gegenständen bekannt, bei denen der sich tatsächlich oder scheinbar bewegende Gegenstand auf eine geeignete Röhre abgebildet wird, mit deren Hilfe das optische Bild des projizierten Gegenstandes in ein Elektronenbild und damit in elektrische Signale umgewandelt werden kann, die sich entsprechend dem Bewegungsverlauf des Gegenstandes ändern und damit eine Wiedergabe dieses Bewegungsverlaufs ermöglichen. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art besitzen den grossen Vorteil, dass der Bewegung des Gegenstandes kein mechanischer Widerstand wie etwa bei mechanisch gekoppelten Schwingungsprüfern od. dgl. entgegengesetzt wird und daher auch keine Verfälschung der zu untersuchenden Bewegung erfolgt.
Dadurch ist grundsätzlich die Voraussetzung dafür geschaffen, dass auch sowohl besonders schnellen Bewegungsabläufen als auch Bewegungsabläufen mit sehr kleinen Ausschlägen genau gefolgt werden kann. Desgleichen lässt sich damit bequem eine Überwachung sehr langsamer Bewegungen durchführen, wobei dann in Verbindung mit geeigneten optischen Vergrösserungssystemen od. dgl. eine entsprechende Anpassung vorgenommen werden kann. Hinzu kommt, dass bei optischer Erfassung das entsprechende Gerät auch in grösserer Entfernung von dem sich bewegenden Gegenstand aufgestellt werden kann, was beispielsweise dann von besonderer Bedeutung sein kann, wenn der Gegenstand, dessen Bewegung untersucht werden soll, sich im Inneren eines Ofens, einer aus andern Gründen schlecht oder gar nicht zugänglichen Kammer oder aber hinter einem Beobachtungsfenster befindet.
Die bisher bekanntgewordenen Verfahren und Vorrichtungen zur optischen, berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes wiesen beim praktischen Einsatz jedoch eine Reihe erheblicher Nachteile auf, die befriedigendes Arbeiten auf optischer Basis nicht mit der notwendigen Zuverlässigkeit zuliessen.
Ein wesentlicher Nachteil bekannter Verfahren bzw. Vorrichtungen zur optischen Bewegungserfassung liegt darin, dass es dabei in der Regel erforderlich war, den Bewegungsverlauf einer bestimmten Kante des zu untersuchenden Gegenstandes zu verfolgen. Auf Grund dieser Tatsache neigen die bekannten Verfahren zu einem unstabilen Verhalten, so dass es schon bei geringfügigen Abweichungen der Untersuchungsbedingungen vom Normalzustand zu einem Aussertrittfallen oder Weglaufen kommen konnte und eine entsprechende Synchronisierung mit dem Bewegungsablauf des zu untersuchenden Gegenstandes erst wieder durch eine von Hand vorzunehmende erneute Ausrichtung des Untersuchungsgerätes im Verhältnis zu dem bewegten Gegenstand herbeigeführt werden konnte.
Derartige"kantenfolgende"Verfahren bzw. Vorrichtungen sind überdies auch gegenüber geringfügigen Intensitätsschwankungen in der Beleuchtung des zu untersuchenden Gegenstandes sehr empfindlich, so
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dass auch schon infolge -einer stärkeren Änderung der Beleuchtungsintensität ein Aussertrittfallen auftreten konnte. Ferner ist es mit kantenfolgenden Verfahren auch nicht möglich, zu Beginn einer Messung eine selbsttätige Synchronisierung zu erzielen, wenn der Gegenstand sich zwar innerhalb des Beobachtungsbereiches des Untersuchungsgerätes befindet, im Verhältnis dazu jedoch nicht zentriert wurde. Vielmehr ist in solchen Fällen zunächst eine sehr genaue Voreinstellung erforderlich, ehe wirksam mit einer Untersuchung begonnen werden kann.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1135182 ist ein Verfahren zum berührungsfreien Ermitteln der Abmasse von Gegenständen von einem Sollmass bekannt, bei dem mittels einer Abbildungseinrichtung zunächst auf der Oberfläche eines Eichmasses eine leuchtende Marke und in einer auf diese Marke eingestellten Messeinrichtung ein Bild dieser Marke (Eichbild) erzeugt wird, danach das Eichmass durch den zu messenden Gegenstand ersetzt wird und die Abbildungs-und/oder Messeinrichtung oder Teile dieser Einrichtungen mittels einer von der Messeinrichtung photoelektrisch gesteuerten Nachlaufeinrichtung automatisch so lange verschoben werden, bis das Bild der Marke am Ort des Eichbildes erscheint, und bei dem dann aus der Grösse der Verschiebung das gesuchte Mass ermittelt wird.
Die Abweichung des Gegenstandsmasses vom Eichmass kann durch Reflexion eines auf das Eichmass eingestellten Lichtstrahles an der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes zu einer Photozelle hin erfolgen, die bei Abweichung des Gegenstandsmasses vom Eichmass ein elektrisches Signal liefert, das über einen Nachlaufmotor die Abbildungs-und/oder Messeinrichtung so lange verschiebt, bis ein Nullabgleich eingetreten ist. Bei diesem bekannten Verfahren bzw. dieser bekannten Vorrichtung handelt es sich jedoch nicht um die Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes, sondern lediglich um die Erfassung der Differenz bestimmter Istmasse von einem gewünschten Sollmass.
Bewegungsabläufe, beispielsweise Schwingungen von Gegenständen, lassen sich mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung nach der deutschen Auslegeschrift 1135182 dagegen schon deshalb nicht erfassen, weil die körperliche Verschiebung der Abbildungs-und/oder Messeinrichtung mit Hilfe der photoelektrisch gesteuerten Nachlaufeinrichtung wie dem erwähnten Nachlaufmotor eine viel zu grosse Trägheit für die Verfolgung selbst langsamerer Bewegungsvorgänge mit sich bringen würde.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes, das, nachdem der Gegenstand einmal in den Beobachtungsbereich gelangt ist, vollkommen stabil bleibt, auch dann nicht im Verhältnis zu der Bewegung des Gegenstandes ausser Tritt fällt, wenn sich die Beleuchtungsstärke oder eine andere Messbedingung ändert, und mit dessen Hilfe ferner eine automatische Synchronisierung mit dem Bewegungsverlauf des Gegenstandes möglich ist, wenn der Gegenstand bei Beginn der Messung in einer exzentrischen Lage sich befindet, so dass beispielsweise auch dann, wenn die Synchronisierung vorübergehend verlorengegangen ist, etwa infolge einer Erschütterung der Beobachtungsvorrichtung, vorübergehenden Stromausfalls od.
dgl., unmittelbar nach Beendigung der Störung automatisch wieder die erforderliche Synchronisierung eintritt, ohne dass deshalb eine Nachstellung von Hand oder auf anderem Wege erforderlich wäre.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Bild des Bezugspunktes und mindestens eine an den Bezugspunkt angrenzenden Teiles des Gegenstandes in ein entsprechendes Elektronenstrahlbündel umgewandelt, das Elektronenstrahlbündel in ein erstes Teilsignal, das einer im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber positive Abweichungen des Bezugspunktes anzeigt, und ein zweites Teilsignal, das der im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber negative Abweichungen des Bezugspunktes anzeigt, umgeformt und zerlegt wird, dass hierauf den positiven und negativen Abweichungen entsprechende elektrische Teilsignale erzeugt werden,
sodann ein die Differenz zwischen diesen beiden Teilsignalen repräsentierendes Regelsignal gebildet und fortlaufend so auf das Elektronenstrahlbündel gegengekoppelt wird, dass dessen Abweichungen gegenüber der Bezugsgrösse selbsttätig im wesentlichen auf Null abgeglichen werden, und dass der Verlauf des so erhaltenen Regelsignals fortlaufend optisch angezeigt wird.
Durch diese erfindungsgemässe Umwandlung des optischen Bildes in ein entsprechendes trägheitsloses Elektronenstrahlbündel, Aufspaltung dieses Elektronenstrahlbündels in zwei Teilsignale und negative Rückkopplung dieser beiden Teilsignale auf das Elektronenstrahlbündel so, dass unabhängig von dem Mass der Auslenkung des bewegten Gegenstandes aus einer Ausgangslage stets eine Rückführung des Elektronenstrahlbündels in die Nullage erfolgt, wird in der gewünschten Weise eine praktisch ohne jede Masseträgheit arbeitende Erfassung des Bewegungsablaufs eines Gegenstandes erreicht und dabei infolge des fortlaufenden Selbstabgleichs auch die gewünschte Stabilität gewährleistet.
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Eine erste, zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung ist in weiterer Ausbildung der Erfindung gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Bildwandlerröhre mit einer dem Gegenstand zugewandten Photokathode und einer in eine erste und eine zweite Hälfte unterteilten Abbildungsfläche für die Umwandlung des Bildes des Gegenstandes und dessen Bezugspunktes in entsprechende Elektronenstrahlen und für die anschliessende Rückwandlung der Elektronenstrahlen in mit der ersten und der zweiten Hälfte der Abbildungsfläche korrespondierende erste und zweite Bildstrahlen sowie mit einer zur äusseren Beeinflussung der Lage der Elektronenstrahlen im Verhältnis zu der Abbildungsfläche dienenden Ablenksystem ;
durch einen Doppelspiegel mit zwei der Abbildungsfläche zugewandten und zu dieser symmetrischen, einen Winkel einschliessenden Spiegelflächen, deren Schnittkante in einer Ebene mit einer Trennlinie zwischen den beiden Hälften der Abbildungsfläche liegt ; eine erste und eine zweite, zur Umwandlung der von den beiden Spiegelflächen reflektierten Bildstrahlen in entsprechende elektrische Signale geeignete und jeweils in den Weg der reflektierenden Bildstrahlen geschaltete lichtempfindliche Platte ; durch einen mit seinem Eingang an die elektrischen Ausgänge der beiden Platten und mit seinem Ausgang im wesentlichen unter Nullabgleich gegenkoppelnd an das Ablenksystem elektrisch angeschlossenen Differentialverstärker ;
sowie dadurch, dass in den Ausgangskreis des Differentialverstärkers ein Anzeigegerät für die fortlaufende optische Wiedergabe des Bewegungsverlaufs des Bezugspunktes geschaltet ist.
Eine zweite, zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besonders geeignete Vorrichtung kennzeichnet sich durch eine an sich bekannte Bildabtaströhre mit einer dem Gegenstand zugewandten Photokathode für die Umwandlung des Bildes des Bezugspunktes und mindestens eines an den Bezugspunkt angrenzenden Teiles des Gegenstandes in entsprechende Elektronenstrahlen, mit einer eine Öffnung aufweisenden, in dem Weg der Elektronenstrahlen liegenden Blende, mit einem von einer Wechselspannungsquelle fortlaufend gespeisten Ablenksystem für die äussere Beeinflussung der Lage der Elektronenstrahlen im Verhältnis zu der Blende sowie mit einem auf der der Photokathode abgewandten Seite der Blende angeordneten Elektronenvervielfacher ; durch eine von dem Ausgangssignal des Elektronenvervielfachers gespeiste und von der Wechselspannungsquelle gesteuerte Schalteinheit ;
durch einen mit seinem Eingang an den Ausgang der Schalteinheit und mit seinem Ausgang im wesentlichen unter Nullabgleich gegenkoppelnd an das Ablenksystem elektrisch angeschlossenen Differentialverstärker ; sowie dadurch, dass in den Ausgangskreis des Differentialverstärkers ein Anzeigegerät für die fortlaufende optische Wiedergabe des Bewegungsverlaufs geschaltet ist.
Zweckmässigerweise kann insbesondere die mit einer Bildwandlerröhre ausgestattete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer besonderen Vorrichtung zur unmittelbaren visuellen Betrachtung des auf der Abbildungsfläche der Bildwandlerröhre entworfenen Bildes versehen sein, die in die Bahn von einem teildurchlässigen Spiegel, der in dem Weg der von der Abbildungsfläche abgegebenen Bildstrahlen liegt, reflektierter Lichtstrahlen geschaltet ist, so dass auch eine fortlaufende optische Überwachung des Nullabgleichs möglich ist, anderseits, bei Abschaltung der Gegenkopplung, die jeweilige Auslenkung des Bezugspunktes aus seiner Ruhe-oder Ausgangslage verfolgt werden kann.
Um die jeweiligen Ausschläge des Anzeigegerätes auf gewünschte Messeinheiten eichen zu können, kann der Vorrichtung ein mechanisch starr mit einem Eichgegenstand verbundenes, zur Erzeugung von Auslenkungen bekannter Amplitude und/oder Frequenz geeignetes Eichgerät zugeordnet sein. Statt eines solchen mechanischen Eichgerätes kann der Vorrichtung jedoch auch ein Eichgerät mit zwei innerhalb des Bildbereiches der Vorrichtung liegenden, von einem Oszillator abwechselnd einschaltbaren und damit eine scheinbare Bewegung erzeugenden elektrischen Lampen zugeordnet sein, wobei dann auf Grund der jeweils bekannten (einstellbaren) Arbeitsfrequenz des Oszillators wieder die gewünschte Eichung bzw. eine Überprüfung der Vorrichtung erfolgen kann.
Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. l schematisch in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer optisch-elektronischen Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes entsprechend der Erfindung ; Fig. 2 schematisch den Aufbau des optischen sowie des elektrischen Systems der Vorrichtung der Fig. l ; Fig. 3 in vergrössertem Massstab eine Teilansicht einer etwas abgewandelten Ausführung der in Verbindung mit Fig. 2 verwendeten Bildwandlerröhre ; Fig. 3a einen Querschnitt durch Fig. 3 längs der Linie 3a-3a ; Fig. 4 in verkleinertem Massstab eine Ansicht ähnlich Fig. 3 einer weiter abgewandelten Ausführungsform der Anordnung der Fig. 2 ;
Fig. 5 eine
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Anordnung ähnlich Fig. 2 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem zugeordneten Eichgerät ; und Fig. 6 schematisch ein weiteres, der Vorrichtung nach der Erfindung zugeordnetes Eichgerät.
Im einzelnen ist mit Fig. l schematisch ein allgemein mit --10-- bezeichnetes, tragbar ausgebildetes Gerät nach der Erfindung zur optisch-elektronischen, berührungslosen Erfassung zu
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--11-- wiedergegeben.Gegenstand --13-- gerichtet ist, dessen Bewegung von dem Gerät--10--nach der Erfindung erfasst werden soll. Der in Fig. l gezeigte Gegenstand --13-- ist repräsentativ für einen bewegten Teil bzw. eine bewegte Oberfläche, deren insbesondere etwa in Form von Vibrationen auftretende Bewegung
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innerhalb des Betrachtungsfeldes des Linsensystems--12--, wobei er zentrisch im Verhältnis dazu ausgerichtet ist.
Der Gegenstand --13-- kann beispielsweise Bestandteil einer im Betriebszustand vibrierenden Anlage sein, so dass der Bezugspunkt --14-- sich entsprechend den Vibrationen der Anlage hin-und herbewegt oder oszilliert, wobei das Gerät --10-- dann diese Schwingungen des Bezugspunktes - erfassen soll. An dem Gehäuse --11-- kann eine Betrachtungsvorrichtung-15- angebracht sein, mit deren Hilfe der Benutzer ein im Inneren des Gerätes erzeugtes, die Bewegungen des Bezugspunktes--14--wiedergebendes Bild beobachten kann.
In einer Wand des Gehäuses --11-- oder an einer sonstigen geeigneten Stelle kann ein Anzeigegerät-16-angebracht sein, mit dessen Hilfe das Messergebnis als Augenblickswert angezeigt oder aber auch fortlaufend in bleibender
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--16-- kommtAnzeigegerät-16-auch ein Frequenzmesser, der die Frequenz der Schwingung des Bezugspunktes --14-- anzeigt, oder eine sonstige geeignete Aufzeichnungsvorrichtung zur Abbildung einer Kurve oder einer andern bleibenden Aufzeichnung der Schwingung des Punktes --14-- dienen.
An der Aussenseite des Gehäuses --11-- des Gerätes --10-- kann in der mit Fig. l angedeuteten Weise ein flexibles Bandmass --17-- angebracht sein, das in ein von dem Gehäuse --11-- getragenes Bandmassgehäuse--18--einrollbar bzw. nach aussen zu dem Gegenstand --13-- hin ausziehbar ist, um den Abstand des Gegenstandes --13-- von dem Gerät--10-- anzuzeigen.
In Fig. 2 ist das Linsensystem --12-- schematisch dargestellt. Es wirft in der Regel ein
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einen bestimmten Teil der Bildfläche auftreffenden Elektronen der Stärke des auf den entsprechenden Bereich der Photokathode--19--fallenden Lichtes, so dass das auf der Abschlussfläche--22-- erzeugte Elektronenbild eine punktgenaue (umgekehrte) Reproduktion des auf der Photokathode
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der Röhre-20-ist"schnellen" Leuchtstoffen besteht, wie sie unter der Bezeichnung P15 und P16 bekannt sind, so dass an der Abschlussfläche-22-ein dem Elektronenbild entsprechendes sichtbares Bild erzeugt werden kann.
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herkömmlicher Ablenkspulen--24--, die jochförmig an der Aussenseite der Röhre angebracht sind, in Auf-oder Abwärtsrichtung abgelenkt werden.
Statt der Ablenkspulen --24-- können ebenso Ablenkplatten in Frage kommen, wenn für eine bestimmte Ausführung statt elektromagnetischer Ablenkung eine elektrostatische Ablenkung gewünscht wird.
Bildwandlerröhren der vorstehend beschriebenen Art stellen herkömmliche, zum Stand der Technik gehörende Bauelemente dar, so dass davon abgesehen werden kann, Konstruktion und Wirkungsweise einer solchen Röhre im einzelnen zu erläutern. Der Vollständigkeit halber wird jedoch auf die USA-Patentschrift Nr. 2, 179, 083 verwiesen, mit der eine typische Bildwandlerröhre beschrieben wird.
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Fig. 2) auf eine erste lichtempfindliche Platte--25--und das Licht des anderen Bereiches (obere Hälfte der Abschlussfläche --22-- der Fig.2) auf eine zweite lichtempfindliche Platte-26gerichtet wird. Dazu kann eine Linse--27--Verwendung finden, die dann eine umgekehrte Abbildung des Bildes der Abschlussfläche--22--in einer in Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten vertikalen Ebene --28-- entstehen lässt.
In den Strahlengang der Linse --27-- ist ein keilförmig ausgebildeter Doppelspiegel --29-- geschaltet, dessen vordere Schnittkante --30-- sich in horizontaler Richtung in Höhe der Mittellinie des in der Ebene--28--erzeugten Bildes (entsprechend einer horizontalen Trennlinie --31-- der Abschlussfläche --22-- bzw. der Leuchtschicht-23--) erstreckt.
Der Doppelspiegel --29-- weist eine obere geneigte reflektierende Spiegelfläche --32--, die alles oberhalb der Schnittkante --30-- liegende Licht nach oben zu der lichtempfindlichen platte --25-- wirft, so wie eine untere reflektierende Spiegelfläche-33-auf,
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Leitungen--34 und 35--zwei elektrische Signale erzeugen, deren Stärke sich entsprechend den Intensitätsänderungen des in der oberen bzw. unteren Hälfte der Leuchtschicht--23--auftretenden Gesamt-Elektronenstromes ändert.
Diese beiden Ströme speisen entgegengesetzt zueinander einen Differentialverstärker --36--, der dann in Ausgangsleitungen--37 und 38--einen verstärkten Strom fliessen lässt, der sich proportional zu den Änderungen der Differenz zwischen den beiden dem Differentialverstärker --36-- von den Platten --25 und 26--aus zugeführten Signalen ändert. Dieser von dem Verstärker erzeugte Strom durchfliesst die Ablenkungsspulen--24--in einer Richtung, so dass das in der Röhre auftretende Elektronenbild in einer Richtung und um einen Betrag ausgelenkt wird, so dass jede Änderung der Lage des Bildes auf der Leuchtschicht --23--, die zunächst die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden lichtempfindlichen Platten--25 und
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werden kann.
Diese Betrachtungsvorrichtung--15--kann einen halbdurchlässigen Spiegel--40-aufweisen, der einen gewünschten Anteil des von der Leuchtschicht--23--abgegebenen Lichtes zu
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unten durch die Linse --41-- sehen und das Bild auf der Leuchtschicht--23--beobachten. In dem Ausgangskreis des Verstärkers--36--kann ein Ausschalter--42--liegen, so dass
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entspricht. Der Benutzer hat damit die Möglichkeit, beim Durchsehen durch die Betrachtungsvorrichtung --15-- die Verschiebung des Bezugspunktes --14-- zu beobachten.
In der
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Bildebene der Betrachtungsvorrichtung --15-- kann eine lichtdurchlässige Platte--141-angeordnet sein, die ein Raster oder ein Fadenkreuz mit einer Masseinteilung trägt, so dass die jeweilige Verschiebung des betrachteten Bezugspunktes --14-- visuell gemessen werden kann.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des Gerätes nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 beschrieben. Es sei angenommen, dass das Gerät--10--so ausgerichtet ist, dass das Bild des beleuchteten Bezugspunktes --14-- zunächst genau in der Mitte der Photokathode --19-- liegt. In diesem Zustand, in dem in den Spulen --24-- kein Ablenkstrom fliesst, erzeugt die Röhre --20-- ein entsprechendes
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dass der Bezugspunkt --14-- sich zunächst auch genau im Mittelpunkt der Leuchtschicht--23- befindet.
Infolgedessen richten die Linse --27-- und die obere Spiegelfläche --32-- einerseits bzw. die untere Spiegelfläche--33--anderseits jeweils genau eine Hälfte des beleuchteten mittleren Gebietes der Schicht-23- (Bild des Bezugspunktes-14--) auf die obere lichtempfindliche Platte --25-- bzw. die untere lichtempfindliche Platte-26--. Die Ausgangssignale der beiden Platten--25 und 26-sind daher genau gleich gross, so dass in den Leitungen-37 und 38-kein Ausgangssignal erzeugt wird, das zu den Ablenkspulen --24-- gelangen könnte.
Wenn sich nun der Gegenstand --13-- mit seinem Bezugspunkt --14-- eine kurze Strecke aufwärts bewegt, so hat dies eine entsprechende Abwärtsbewegung des Bildes des Bezugspunktes - auf der Photokathode --19-- und eine entsprechende Aufwärtsbewegung des
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geringfügig--36-- in Ablenkspulen --24-- einen Ablenkstrom fliessen lässt.
Dieser Strom lenkt das Elektronenbild gerade in einem Masse in Abwärtsrichtung aus, das die geringfügige Aufwärtsbewegung des Bezugspunktes --14-- kompensiert und den beleuchteten Bezugspunkt --14-- genau in der Mitte der Leuchtschicht--23--hält. Ähnlich ruft eine Abwärtsbewegung des Punktes--14--eine umgekehrte Beeinflussung des Differentialverstärkers --36-- und damit der Ablenkspulen-24hervor, so dass die Ablenkspulen das Bild des Bezugspunktes --14-- auf der Leuchtschicht-23-- in Aufwärtsrichtung in die richtige Mittellage zurückkehren lassen.
Auf diese Weise bleibt das Bild des Bezugspunktes --14-- unabhängig von den Auslenkungen des Punktes --14-- auf der Leuchtschicht-23-immer in der ursprünglichen Mittelpunktslage, wobei der an die Ablenkspulen --24-- abgegebene Rückkopplungs-oder Gegenkopplungsstrom, der genau dem jeweils für die Kompensierung der Bewegung des Bezugspunktes --14-- erforderlichen Strom entspricht, ständig der Grösse der Auslenkung des Bezugspunktes--14--aus seiner ursprünglichen Mittellage proportional ist.
Das beispielsweise von einem Galvanometer oder einem andern geeigneten Anzeigeinstrument gebildete Anzeigegerät --16-- zeigt dabei fortlaufend den an die Ablenkspulen-24abgegebenen Strom an, so dass etwa von dem Zeiger eines Galvanometers eine unmittelbare Anzeige der Verschiebung des Bezugspunktes --14-- in eine der beiden entgegengesetzten Richtungen (aufwärts oder abwärts) geliefert werden kann.
Fig. 3 und 3a zeigen ausschnittweise eine Anordnung, die an sich der Anordnung der Fig. l und 2 entspricht, sich jedoch bezüglich der hier mit--20a--bezeichneten Bildröhre sowie des sich daraus ergebenden Wegfalls eines Teiles des optischen Systems zwischen der Röhre und dem hier mit - -36a-- bezeichneten Differentialverstärker unterscheidet. In den Fig. 3 und 3a ist die Leuchtschicht - -23-- der Fig. 2 entfallen und durch zwei zueinander komplementäre elektrisch leitende Querplatten - 25a und 26a-ersetzt worden, die im wesentlichen den ganzen Querschnitt der Innenfläche der Abschlusswandung --22a-- der Röhre bedecken und längs einer schmalen horizontalen Linie --31a-- voneinander isoliert sind, die die obere und die untere Hälfte der Röhre voneinander trennt.
Das in Fig. 2 auf die Leuchtschicht --23-- auftreffende elektronenbild fällt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bzw. 3a unmittelbar auf die beiden Platten-25a und 26a--, wobei
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Stromfluss durch den Differentialverstärker --36a-- hervorrufen. Diese Ströme bilden Signale, die den beiden zu dem Differentialverstärker --36-- der Fig.2 geleiteten Signalen entsprechen, und erzeugen ein Ausgangssignal, das wieder in der gleichen Weise, wie in Verbindung mit Fig. l und 2 erläutert, auf
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die Ablenkspulen --24a-- rückgekoppelt wird. Die Ablesung dieses zusammengesetzten Ablenksignals erfolgt in der bereits erläuterten Weise, wobei das Elektronenbild in der gleichen Weise wie in Fig. 2 so
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Röhre-20a-Fig. 3 ausüben zu lassen.
Leuchtschichten sind normalerweise elektrisch leitend, wie das für Fig. 3 erforderlich ist, um die Elektronen ableiten zu können. Wenn die Platten-25a und 26a-leuchtend bzw. fluoreszierend ausgebildet sind, können sie optisch durch eine Vorrichtung etwa entsprechend der Betrachtungsvorrichtung-15-der Fig. 2 beobachtet werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, deren Aufbau im wesentlichen dem Aufbau der Fig. 3 entspricht, bei der jedoch die beiden Platten-25a und 26a-durch zwei
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--25b- -34b, 35b-- geeignete Ausgangssignale erhalten werden. Die Wirkungsweise des übrigen Teiles des Gerätes ist die gleiche wie in Verbindung mit Fig. l und 2 beschrieben.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der an Stelle der Bildwandlerröhre --20-- der Fig. 2 eine herkömmliche Bildzerlegungs- oder Bildabtaströhre --20c-- Verwendung
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Bildabtaströhre-20c-fällt- -14c--. Wie in Fig. 2 erzeugt die Röhre --20c-- ein Elektronenbild, das hier durch eine Elektronenlinsenanordnung auf eine in Nähe der Abschlusswandung --22c-- der Röhre --20c-befindliche leitende Blende --23c-- fokussiert wird.
Diese Blende --23c-- weist keinerlei Durchbrechungen auf und fängt daher alle Elektronen des Elektronenbildes ab, ausgenommen im Bereich einer kleinen zentrischen Öffnung-43-, durch die einen sehr stark örtlich begrenzten Anteil des Elektronenbildes bildende Elektronen nach rechts zu einem schematisch angedeuteten Elektronenvervielfacher --44-- gelangen können. Die hier mit --24c-- bezeichneten Ablenkspulen werden in diesem Fall fortlaufend von einer schematisch angedeuteten Wechselspannungsquelle - gespeist, so dass das Elektronenbild fortlaufend in Aufwärts- und Abwärtsrichtung im Verhältnis zu der leitenden Platte --23c-- bewegt wird und damit praktisch eine Abtastung des Elektronenbildes in der Röhre --20c-- durch die Öffnung--43--erfolgt.
Das heisst, die zu einem
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wiedergeben. Nachdem das Bild so in Abwärtsrichtung abgetastet worden ist, tastet die Öffnung --43-- das Bild in gleicher Weise in Aufwärtsrichtung ab, worauf dieser Vorgang dann mit einer
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des auf der photokathode --19c-- abgebildeten Bildes wiedergeben, der oberhalb dessen Mittellinie liegt.
Sobald im Verlauf des Abtastvorgangs ein Punkt erreicht wird, an dem die durch die Öffnung --43-- tretenden Elektronen sich in der Mitte des Elektronenbildes (entsprechend der Mittellinie der Photokathode bzw. des Gegenstandes-13c--) befinden, ändert die Schalteinheit ihren Zustand, so dass das Ausgangssignal des Elektronenvervielfachers die Leitung --35c-- speist, wenn die Öffnung - 43-in Abwärtsrichtung über die Mittellinie hinaus wandert und damit mit Elektronen
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beaufschlagt wird, die unterhalb der Mittellinie der Photokathode--19c--liegende Bereiche des sichtbaren Bildes wiedergeben.
In ähnlicher Weise schaltet die Schalteinheit während einer
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Ablenkplattengruppe geführt sein, so dass mit Hilfe des sie speisenden Differenzsignals für eine genaue Kompensation der durch Verschiebung des Bezugspunktes--14c--hervorgerufenen Aufwärts-oder Abwärtsablenkung des in der Röhre--20c--vertikal hin-und herschwingenden Elektronenbildes aus seiner Mittellage gesorgt werden kann.
Das Kompensationssignal in den Leitungen--37c und 38c-hält somit die Mittellage des vertikal auf-und abschwingenden Elektronenbildes unabhängig von der
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- 39c-- angeschlossenen Anzeige- oder Aufzeichnungsgerätes --16c-- der die Ablenkspulen - -24c-- durchfliessende Strom erfasst wird und dieser damit eine genaue Anzeige der Auslenkung des Messpunktes --14c-- bzw. des Gegenstandes--13c--aus seiner Ruhelage liefern kann.
In Verbindung mit Fig. 5 ist der Gegenstand--13c--als Bestandteil eines speziellen Eichgerätes --49-- wiedergegeben worden, das beispielsweise als Vibrator oder mechanischer Oszillator mit einem mitschwingenden, nach oben ragenden Schaft--50--, an dem der Gegenstand--13c--befestigt ist, ausgebildet sein kann. Dieser Vibrator kann fest eingestellt sein, so dass er mit einer vorgegebenen Frequenz schwingt, oder aber verstellbar sein, so dass er mit verschiedenen Frequenzen schwingt bzw.
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--14c-- umAnzeige-oder Aufzeichnungsgerät--16c--so zu eichen, dass eine genaue Anzeige der Frequenz oder des Masses der Auslenkung des Gegenstandes--13c--erhalten wird, und in ähnlicher Weise können damit auch sonstige Überprüfungen des Gerätes durchgeführt werden.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Eichgerätes --51--, das zwei elektrische Lampen--52 und 53--aufweisen kann, die sich beide innerhalb des Bildbereiches des Linsensystems - 12-- der Bildwandlerröhre --20-- der Fig.1 befinden. Das Eichgerät-51-enthält einen Oszillator--54--, der die beiden Lampen--52 und 53-abwechselnd einschaltet, so dass eine scheinbare Bewegung des Beleuchtungsfeldes innerhalb des Bildbereiches des Linsensystems--12-erzeugt wird, mit deren Hilfe das mit der Bildwandlerröhre-20-versehene Gerät-10-geeicht bzw. in seiner Funktionsfähigkeit überprüft werden kann.
Für alle beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gilt, dass das in Abhängigkeit von den Bewegungen des Gegenstandes erzielte Differenzsignal bzw. aus zwei Signalhälften zusammengesetzte Signal dem die Bewegung des Gegenstandes beobachtenden System unabhängig von Änderungen der Randbedingungen, die andere Systeme nachteilig beeinflussen könnten, ein Maximum an Stabilität und in maximaler Weise die Fähigkeit verleiht, der Bewegung des Gegenstandes zu folgen und damit eine Nichterfassung des Bewegungsablaufs des Gegenstandes zu verhindern.
Selbst wenn der Bezugspunkt --14-- der Fig. l oder eine entsprechende Messfläche bei einer andern Ausführungsform der Erfindung sich anfänglich nicht in einer zentrierten Lage befindet, in der sein Bild auf der Photokathode-19bzw. deren Äquivalent nicht zentriert ist, ist das Gerät nach der Erfindung funktionsfähig und spricht dann in der Weise auf die ungleiche Verteilung des Lichtes in den beiden Hälften des beobachteten Gegenstandes an, dass das Elektronenbild in der Röhre in eine richtig zentrierte Lage verschoben wird, in der sich wieder ein Gleichgewichtszustand ergibt.
Das Gerät nach der Erfindung ist somit in der Lage, sich selbsttätig auch auf einen zunächst nicht zentrierten Messgegenstand einzustellen oder aber von neuem die richtige Zuordnung zu einem vorügergehend aus dem Bildfeld ausgewanderten Messgegenstandes zu gewinnen, was in Verbindung mit dem hier massgeblichen Anwendungsbereich von grosser Bedeutung ist.
Naturgemäss arbeiten das Verfahren bzw. ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignetes Gerät nach der Erfindung ebenso, wenn der Messpunkt --14-- der Fig. 1 dunkel und dementsprechend die übrige Fläche hell ist oder aber eine andere Aufteilung von hellen und dunklen
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Flächen Verwendung findet, die sich zur Erzeugung von Ausgangssignalen der lichtempfindlichen Platten--25, 26-- (bzw. deren Äquivalenten) eignet, die einander in nur einer Lage des
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Ausführungsbeispiele) müssen miteinander vertauscht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur optisch-elektronischen, berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines beleuchteten, mit einem Bezugspunkt versehenen Gegenstandes, insbesondere zur Untersuchung seines
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mindestens eines an den Bezugspunkt (14) angrenzenden Teiles des Gegenstandes (13) in ein entsprechendes Elektronenstrahlbündel umgewandelt, das Elektronenstrahlbündel in ein erstes Teilsignal, das einer im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber positive Abweichungen des Bezugspunktes (14) anzeigt, und ein zweites Teilsignal, das der im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber negative Abweichungen des Bezugspunktes (14) anzeigt, umgeformt und zerlegt wird,
dass hierauf den positiven und negativen Abweichungen entsprechende elektrische Teilsignale erzeugt werden, sodann ein die Differenz zwischen diesen beiden Teilsignalen repräsentierendes Regelsignal gebildet und fortlaufend so auf das Elektronenstrahlbündel gegengekoppelt wird, dass dessen Abweichungen gegenüber der Bezugsgrösse selbsttätig im wesentlichen auf Null abgeglichen werden, und dass der Verlauf des so erhaltenen Regelsignals fortlaufend optisch angezeigt wird.
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Method and device for opto-electronic, contactless
Detection of the course of movement of an object, in particular for
Investigation of its vibration behavior
The invention relates to a method for opto-electronic, contactless detection of the course of movement of an illuminated object provided with a reference point, in particular for examining the vibration behavior of such an object, as well as a device for performing such a method.
There are already known opto-electronic methods and devices for contactless observation of the motion sequence of objects set in particular vibrating, in which the actually or apparently moving object is mapped onto a suitable tube, with the aid of which the optical image of the projected object is converted into an electron image and can thus be converted into electrical signals which change according to the course of movement of the object and thus enable this course of movement to be reproduced. Methods and devices of this type have the great advantage that the movement of the object is not opposed by any mechanical resistance, as is the case with mechanically coupled vibration testers or the like, and therefore there is no falsification of the movement to be examined.
This basically creates the prerequisite that both particularly fast movement sequences and movement sequences with very small deflections can be followed precisely. Likewise, monitoring of very slow movements can be carried out conveniently, in which case a corresponding adjustment can then be made in connection with suitable optical magnification systems or the like. In addition, with optical detection, the corresponding device can also be set up at a greater distance from the moving object, which can be of particular importance, for example, if the object whose movement is to be examined is located inside a furnace For other reasons, the chamber is poorly or not at all accessible or behind an observation window.
The previously known methods and devices for optical, contactless detection of the course of movement of an object, however, had a number of considerable disadvantages in practical use which did not allow satisfactory work on an optical basis with the necessary reliability.
A major disadvantage of known methods and devices for optical motion detection is that it was generally necessary to follow the course of motion of a specific edge of the object to be examined. Due to this fact, the known methods tend to have an unstable behavior, so that even slight deviations of the examination conditions from the normal state could lead to a stepping out or running away and a corresponding synchronization with the movement sequence of the object to be examined again only by a new one to be carried out manually Alignment of the examination device in relation to the moving object could be brought about.
Such "edge-following" methods or devices are also very sensitive to slight fluctuations in intensity in the illumination of the object to be examined, see above
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that even as a result of a greater change in the lighting intensity, a fall out could occur. Furthermore, it is also not possible with edge-following methods to achieve automatic synchronization at the beginning of a measurement if the object is indeed within the observation area of the examination device, but was not centered in relation to it. Rather, in such cases, a very precise presetting is required before an examination can effectively begin.
The German Auslegeschrift 1135182 discloses a method for the contact-free determination of the dimensions of objects from a nominal size, in which an imaging device initially generates a luminous mark on the surface of a standard and an image of this mark (calibration image) in a measuring device set to this mark , then the standard is replaced by the object to be measured and the imaging and / or measuring device or parts of these devices are automatically shifted by means of a tracking device photoelectrically controlled by the measuring device until the image of the mark appears at the location of the calibration image, and in which the desired dimension is then determined from the magnitude of the shift.
The deviation of the object size from the standard size can be caused by the reflection of a light beam adjusted to the standard size on the surface of the object to be tested to a photocell which, if the object size deviates from the standard size, delivers an electrical signal which, via a follow-up motor, the imaging and / or Moving the measuring device until a zero adjustment has occurred. In this known method and this known device, however, it is not a question of the detection of the course of movement of an object, but rather only of the detection of the difference between certain actual dimensions and a desired target size.
Movement sequences, for example vibrations of objects, cannot be recorded with the method or the device according to the German Auslegeschrift 1135182 because the physical displacement of the imaging and / or measuring device with the help of the photoelectrically controlled tracking device such as the mentioned tracking motor is a lot would bring too great inertia for the pursuit of even slower movements.
The object of the invention is therefore to create a method for the contactless detection of the course of movement of an object which, once the object has entered the observation area, remains completely stable and does not fall out of step in relation to the movement of the object when the Illuminance or another measurement condition changes, and with the help of which an automatic synchronization with the course of movement of the object is also possible if the object is in an eccentric position at the beginning of the measurement, so that, for example, even if the synchronization is temporarily lost, for example as a result of a shock to the observation device, temporary power failure or.
Like., Immediately after the end of the disturbance, the necessary synchronization occurs again automatically, without any manual or other readjustment being necessary.
To solve this problem, a method of the type mentioned at the beginning is characterized according to the invention in that the image of the reference point and at least one part of the object adjoining the reference point is converted into a corresponding electron beam, the electron beam into a first partial signal, which is one in relation to the electron beam fixed reference variable shows positive deviations of the reference point in relation to the reference variable, and a second partial signal which shows the reference variable which is fixed in relation to the electron beam with negative deviations of the reference point, is transformed and decomposed, so that electrical partial signals corresponding to the positive and negative deviations are generated thereupon,
Then a control signal representing the difference between these two partial signals is formed and continuously fed back to the electron beam in such a way that its deviations from the reference variable are automatically adjusted to essentially zero and that the course of the control signal thus obtained is continuously displayed.
This inventive conversion of the optical image into a corresponding inertia-free electron beam, splitting this electron beam into two partial signals and negative feedback of these two partial signals to the electron beam so that regardless of the extent of the deflection of the moving object from an initial position, the electron beam is always returned to the Zero position takes place, a recording of the movement sequence of an object, which works practically without any mass inertia, is achieved in the desired manner and the desired stability is also ensured as a result of the continuous self-adjustment.
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A first device, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention, is characterized in a further development of the invention by an image converter tube known per se with a photocathode facing the object and an imaging surface divided into a first and a second half for converting the image of the object and its Reference point into corresponding electron beams and for the subsequent reconversion of the electron beams into first and second image beams corresponding to the first and second halves of the imaging surface as well as with a deflection system serving to externally influence the position of the electron beams in relation to the imaging surface;
by a double mirror with two mirror surfaces facing the imaging surface and symmetrical with respect to this, enclosing an angle, the cutting edge of which lies in a plane with a dividing line between the two halves of the imaging surface; a first and a second light-sensitive plate which is suitable for converting the image rays reflected from the two mirror surfaces into corresponding electrical signals and which are each connected in the path of the reflected image rays; by a differential amplifier electrically connected with its input to the electrical outputs of the two plates and with its output, essentially under zero adjustment, with negative feedback to the deflection system;
and in that a display device for the continuous optical reproduction of the movement of the reference point is connected to the output circuit of the differential amplifier.
A second device particularly suitable for carrying out the method according to the invention is characterized by an image scanning tube known per se with a photocathode facing the object for converting the image of the reference point and at least one part of the object adjacent to the reference point into corresponding electron beams, with a an aperture having an opening in the path of the electron beams, with a deflection system continuously fed by an alternating voltage source for the external influencing of the position of the electron beams in relation to the aperture and with an electron multiplier arranged on the side of the aperture facing away from the photocathode; by a switching unit fed by the output signal of the electron multiplier and controlled by the AC voltage source;
by means of a differential amplifier electrically connected with its input to the output of the switching unit and with its output essentially under zero adjustment with negative feedback to the deflection system; and in that a display device for the continuous optical reproduction of the course of movement is connected to the output circuit of the differential amplifier.
In particular, the device equipped with an image converter tube for carrying out the method according to the invention can expediently be provided with a special device for direct visual observation of the image drawn on the imaging surface of the image converter tube, which is in the path of a partially transparent mirror that is in the path of the imaging surface emitted image rays lies, reflected light rays is switched so that continuous optical monitoring of the zero adjustment is possible, on the other hand, when the negative feedback is switched off, the respective deflection of the reference point from its rest or starting position can be followed.
In order to be able to calibrate the respective deflections of the display device to the desired measuring units, the device can be assigned a calibration device which is mechanically rigidly connected to a calibration object and is suitable for generating deflections of known amplitude and / or frequency. Instead of such a mechanical calibration device, however, the device can also be assigned a calibration device with two electrical lamps located within the image area of the device, which can be switched on alternately by an oscillator and thus produce an apparent movement, in which case, based on the respectively known (adjustable) operating frequency of the oscillator the desired calibration or a check of the device can take place again.
The invention is explained below together with further features on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the associated drawings. In the drawings: FIG. 1 shows a schematic perspective representation of a first embodiment of an optoelectronic device for contactless detection of the course of movement of an object according to the invention; FIG. 2 schematically shows the structure of the optical and the electrical system of the device of FIG. 1; 3 shows, on an enlarged scale, a partial view of a somewhat modified embodiment of the image converter tube used in connection with FIG. 2; Fig. 3a shows a cross section through Fig. 3 along the line 3a-3a; 4 shows, on a reduced scale, a view similar to FIG. 3 of a further modified embodiment of the arrangement of FIG. 2;
Fig. 5 a
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Arrangement similar to FIG. 2 according to a further embodiment of the invention in connection with an associated calibration device; and FIG. 6 schematically shows a further calibration device assigned to the device according to the invention.
In detail, FIG. 1 schematically shows a portable device according to the invention, generally designated --10--, for optoelectronic, contactless detection
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--11-- reproduced. Object --13-- is directed, the movement of which is to be detected by the device - 10 - according to the invention. The object --13-- shown in Fig. 1 is representative of a moving part or a moving surface, the movement of which occurs in particular in the form of vibrations
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within the field of view of the lens system - 12 -, whereby it is aligned centrically in relation to it.
The object --13-- can, for example, be part of a system that vibrates in the operating state, so that the reference point --14-- moves to and fro or oscillates according to the vibrations of the system, with the device --10-- then these vibrations of the reference point - should capture. A viewing device -15- can be attached to the housing 11, with the aid of which the user can observe an image which is generated inside the device and which reproduces the movements of the reference point 14.
A display device -16-can be attached in a wall of the housing -11- or at some other suitable place, with the aid of which the measurement result is displayed as an instantaneous value or else continuously in a permanent
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--16-- there is a display device-16-also a frequency meter that shows the frequency of the oscillation of the reference point --14--, or some other suitable recording device for mapping a curve or another permanent record of the oscillation of the point --14-- serve.
A flexible tape measure --17-- can be attached to the outside of the housing --11-- of the device --10-- in the manner indicated in Fig. 1, which is inserted into a tape measure housing carried by the housing --11-- --18 - can be rolled up or pulled out towards the object --13-- in order to display the distance between the object --13-- and the device - 10--.
In Fig. 2 the lens system -12- is shown schematically. It usually throws in
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A certain part of the image area is affected by electrons of the strength of the light falling on the corresponding area of the photocathode - 19 -, so that the electron image generated on the end surface - 22-- is an exact (reverse) reproduction of that on the photocathode
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The tube 20 is made up of "fast" phosphors, as they are known under the designation P15 and P16, so that a visible image corresponding to the electron image can be generated at the end surface 22.
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conventional deflection coils - 24 -, which are attached in the shape of a yoke on the outside of the tube, are deflected in the upward or downward direction.
Instead of the deflection coils --24--, deflection plates can also be used if an electrostatic deflection is desired instead of electromagnetic deflection for a specific design.
Image converter tubes of the type described above represent conventional components belonging to the state of the art, so that one can dispense with explaining the construction and mode of operation of such a tube in detail. For the sake of completeness, however, reference is made to U.S. Patent No. 2,179,083, which describes a typical image converter tube.
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Fig. 2) is directed onto a first photosensitive plate - 25 - and the light from the other area (upper half of the end surface --22 - of Fig. 2) is directed onto a second photosensitive plate 26. For this purpose, a lens - 27 - can be used, which then creates an inverted image of the image of the end surface - 22 - in a vertical plane --28-- indicated by dash-dotted lines in FIG. 2.
A wedge-shaped double mirror --29-- is connected in the beam path of the lens --27--, the front cutting edge --30-- of which extends in the horizontal direction at the level of the center line of the image generated in the plane - 28 - ( corresponding to a horizontal dividing line --31-- the end surface --22-- or the luminescent layer -23--).
The double mirror --29-- has an upper inclined reflective mirror surface --32--, which throws all the light above the cutting edge --30-- upwards to the light-sensitive plate --25--, as does a lower reflective mirror surface -33-on,
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Lines - 34 and 35 - generate two electrical signals, the strength of which changes according to the changes in intensity of the total electron current occurring in the upper and lower half of the luminous layer - 23 -.
These two currents feed a differential amplifier --36 - opposite to each other, which then allows an amplified current to flow in output lines - 37 and 38 - which is proportional to the changes in the difference between the two of the differential amplifier --36 - from the disks - 25 and 26 - changes from the signals supplied. This current generated by the amplifier flows through the deflection coils - 24 - in one direction, so that the electron image occurring in the tube is deflected in one direction and by an amount such that any change in the position of the image on the luminous layer --23 - which is initially the difference between the output signals of the two photosensitive plates - 25 and
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can be.
This viewing device - 15 - can have a semitransparent mirror - 40 - which supplies a desired proportion of the light emitted by the luminous layer - 23
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look through the lens --41 - below and observe the image on the luminescent layer - 23 -. In the output circuit of the amplifier - 36 - there can be an off switch - 42 - so that
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corresponds. The user thus has the option of looking through the viewing device --15-- to observe the displacement of the reference point --14--.
In the
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In the image plane of the viewing device --15-- a transparent plate --141 - can be arranged, which carries a grid or a crosshair with a graduation so that the respective shift of the observed reference point --14-- can be measured visually.
The mode of operation of the device according to FIG. 1 and FIG. 2 is described below. It is assumed that the device - 10 - is aligned in such a way that the image of the illuminated reference point --14-- is initially exactly in the center of the photocathode --19--. In this state, in which no deflection current flows in the coils --24--, the tube --20-- generates a corresponding one
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that the reference point --14-- is initially also exactly in the center of the luminous layer - 23-.
As a result, the lens --27 - and the upper mirror surface --32-- on the one hand and the lower mirror surface - 33 - on the other hand each align exactly one half of the illuminated central area of the layer -23- (image of the reference point -14- -) on the upper photosensitive plate -25- or the lower photosensitive plate -26-. The output signals of the two plates - 25 and 26 - are therefore exactly the same size, so that no output signal is generated in lines - 37 and 38 - which could reach the deflection coils --24--.
If the object --13-- with its reference point --14-- moves a short distance upwards, this has a corresponding downward movement of the image of the reference point - on the photocathode --19-- and a corresponding upward movement of the
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slightly - 36-- in deflection coils --24-- allows a deflection current to flow.
This current deflects the electron image in a downward direction to a degree that compensates for the slight upward movement of the reference point --14-- and keeps the illuminated reference point --14-- exactly in the middle of the luminous layer - 23 -. Similarly, a downward movement of the point - 14 - causes a reverse influence on the differential amplifier --36 - and thus the deflection coils -24, so that the deflection coils see the image of the reference point --14-- on the luminous layer -23-- in an upward direction Let it return to the correct central position.
In this way, the image of the reference point --14-- remains in the original center position regardless of the deflections of the point --14-- on the luminescent layer -23-, with the feedback or The negative feedback current, which corresponds exactly to the current required to compensate for the movement of the reference point --14--, is constantly proportional to the size of the deflection of the reference point - 14 - from its original central position.
The display device --16--, formed for example by a galvanometer or another suitable display instrument, continuously displays the current delivered to the deflection coils-24, so that, for example, the pointer of a galvanometer provides an immediate display of the displacement of the reference point --14-- in either of the two opposite directions (upwards or downwards) can be delivered.
3 and 3a show a detail of an arrangement which corresponds to the arrangement in FIGS. 1 and 2, but with regard to the picture tube designated here by - 20a - and the resulting omission of a part of the optical system between the tube and the differential amplifier designated here with - -36a--. In Figs. 3 and 3a, the luminous layer - -23 - of Fig. 2 has been omitted and has been replaced by two mutually complementary electrically conductive transverse plates - 25a and 26a - which essentially cover the entire cross section of the inner surface of the end wall --22a- - cover the tube and are insulated from one another along a narrow horizontal line --31a - separating the upper and lower halves of the tube.
The electron image impinging on the luminous layer --23-- in FIG. 2 falls directly onto the two plates 25a and 26a-- in the embodiment according to FIG. 3 or 3a, where
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Create a current flow through the differential amplifier --36a--. These currents form signals which correspond to the two signals conducted to the differential amplifier -36- of FIG. 2, and generate an output signal which again in the same way as explained in connection with FIGS. 1 and 2 on
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the deflection coils --24a-- is fed back. This composite deflection signal is read off in the manner already explained, with the electron image in the same manner as in FIG
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Tube-20a-fig. 3 exercise.
Luminous layers are normally electrically conductive, as is necessary for FIG. 3 in order to be able to divert the electrons. If the plates 25a and 26a are designed to be luminous or fluorescent, they can be observed optically through a device roughly corresponding to the viewing device 15 of FIG.
Fig. 4 shows a further embodiment of the invention, the structure of which corresponds essentially to the structure of FIG. 3, but in which the two plates - 25a and 26a - by two
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--25b- -34b, 35b-- suitable output signals can be obtained. The mode of operation of the remaining part of the device is the same as that described in connection with FIGS.
Fig. 5 shows a further embodiment of the invention, in which instead of the image converter tube --20-- of FIG. 2, a conventional image decomposition or image scanning tube --20c-- is used
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Scanning-tube-20c-falls- -14c--. As in Fig. 2, the tube --20c-- generates an electron image, which here is focused by an electron lens arrangement on a conductive diaphragm --23c-- located in the vicinity of the end wall --22c-- of the tube --20c.
This diaphragm --23c - has no openings and therefore intercepts all electrons of the electron image, except in the area of a small central opening -43- through which electrons, which form a very localized portion of the electron image, to the right to a schematically indicated electron multiplier --44-- can reach. The deflection coils designated here with --24c-- are in this case continuously fed by a schematically indicated alternating voltage source - so that the electron image is continuously moved in upward and downward directions in relation to the conductive plate --23c-- and thus practically one The electron image in the tube --20c - is scanned through the opening - 43 -.
That is, to one
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reproduce. After the image has been scanned in this way in the downward direction, the opening --43 - scans the image in the same way in the upward direction, whereupon this process is then carried out with a
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reproduce the image shown on the photocathode --19c - which is above its center line.
As soon as a point is reached in the course of the scanning process at which the electrons passing through the opening --43-- are in the center of the electron image (corresponding to the center line of the photocathode or the object -13c--), the switching unit changes its State so that the output signal of the electron multiplier feeds the line -35c- when the opening -43- wanders in the downward direction beyond the center line and thus with electrons
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is applied, which reproduce the areas of the visible image lying below the center line of the photocathode - 19c.
Similarly, the switching unit switches during a
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Deflection plate group so that, with the aid of the difference signal that feeds it, an exact compensation of the upward or downward deflection of the electron image swinging vertically back and forth in the tube from its central position caused by shifting the reference point - 14c - is ensured can be.
The compensation signal in lines - 37c and 38c - thus keeps the central position of the electron image swinging vertically up and down independently of the
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- 39c-- connected display or recording device --16c-- which detects the current flowing through the deflection coils - -24c-- and this thus provides an exact display of the deflection of the measuring point --14c-- or the object - 13c-- can deliver from its rest position.
In connection with FIG. 5, the object - 13c - has been reproduced as part of a special calibration device --49--, which can be used, for example, as a vibrator or mechanical oscillator with a co-oscillating, upwardly projecting shaft --50-- on which the object - 13c - is attached, can be formed. This vibrator can be permanently set so that it vibrates at a predetermined frequency, or it can be adjustable so that it vibrates or vibrates at different frequencies.
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--14c - in order to calibrate the display or recording device - 16c - in such a way that an accurate display of the frequency or the extent of the deflection of the object - 13c - is obtained, and in a similar way other checks of the device can also be obtained be performed.
Fig. 6 shows a further embodiment of a calibration device --51 - which can have two electric lamps - 52 and 53 - both of which are located within the image area of the lens system - 12 - of the image converter tube - 20 - of FIG .1 are located. The calibration device-51-contains an oscillator -54- which switches on the two lamps -52 and -53-alternately, so that an apparent movement of the illumination field is generated within the image area of the lens system -12-with the help of which the with the image converter tube-20-provided device-10-can be calibrated or checked in its functionality.
For all described embodiments of the invention, the difference signal achieved as a function of the movements of the object or the signal composed of two signal halves gives the system observing the movement of the object a maximum of stability regardless of changes in the boundary conditions that could adversely affect other systems and gives the ability to follow the movement of the object as far as possible and thus prevent the movement of the object from being detected.
Even if the reference point --14 - of Fig. 1 or a corresponding measuring surface in another embodiment of the invention is initially not in a centered position in which its image on the photocathode 19 or. whose equivalent is not centered, the device according to the invention is functional and then responds to the uneven distribution of the light in the two halves of the observed object in such a way that the electron image in the tube is shifted into a correctly centered position in which a state of equilibrium results again.
The device according to the invention is thus able to automatically adjust itself to an initially non-centered measurement object or to gain the correct assignment to a measurement object that has previously migrated out of the image field, which is of great importance in connection with the relevant area of application here is.
Naturally, the method or a device according to the invention that is suitable for carrying out such a method also work if the measuring point --14-- in FIG. 1 is dark and, accordingly, the remaining area is light or another division of light and dark
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Areas is used that is suitable for generating output signals of the photosensitive plates - 25, 26 - (or their equivalents), which are mutually in only one position of the
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Embodiments must be interchanged.
PATENT CLAIMS:
1. A method for opto-electronic, contactless detection of the course of movement of an illuminated object provided with a reference point, in particular for examining its
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at least one part of the object (13) adjoining the reference point (14) is converted into a corresponding electron beam, the electron beam is converted into a first partial signal which indicates positive deviations of the reference point (14) with respect to a reference variable fixed in relation to the electron beam, and a second Partial signal that indicates negative deviations of the reference point (14) in relation to the fixed reference variable in relation to the electron beam, is transformed and decomposed,
that on this the positive and negative deviations corresponding electrical partial signals are generated, then a control signal representing the difference between these two partial signals is formed and continuously fed back to the electron beam in such a way that its deviations from the reference variable are automatically adjusted to zero, and that the Course of the control signal obtained in this way is continuously displayed optically.
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