Vorrichtung zur optisch-elektronischen berührungslosen Ermittlung der Bewegung eines Objektes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optisch-elektronischen berührungslosen Ermittlung der Bewegung eines Objektes.
Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung betrifft Bewegungsaufnahmen von unzugänglichen komplizierten Maschinenmechanismen, von Mechanismen während des Laufes der Maschinen, von in Feuerungen befindlichen Gegenständen oder solchen, die gefährliche Strahlen aussenden und solchen die sich in nicht erreichbaren Ent femungen befinden.
Bekannte Vorrichtungen dieser Art projizieren das sich bewegende oder scheinbar bewegende Objekt optisch auf einen Bildwandler, wandeln das optische Bild in ein Elektronenbild um und erzeigen dann einen elektrischen Impuls, der sich entsprechend dem Bewegungswert des Objektes ändert und diesen darstellt.
Bisher sind solche Typen optisch-elektronischer Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die in erster Linie für den Gebrauch in Fällen beabsichtigt waren, in welchen Vorteile durch Vermeidung einer Berührung jeder Art mit dem zu untersuchenden Objekt erreicht werden können, wie dies z.B. in Frage kommt, wenn eine schnellere Reaktion auf die Bewegungen des Objektes, schneller optisch als durch irgendeine Art mechanischer Verbindung mit dem Objekt erreicht werden kann. Wenn ein solches optisches Abfühlen oder Aufnehmen angewendet wird, so übt der auf die Bewegung ansprechende Apparat keinen mechanischen Bewegungswiderstand auf das Objekt aus und kann auf viel schnellere Bewegungen reagieren, als wenn eine mechanische Einwirkung erforderlich ist. Auch kann er auf sehr kleine oder langsame Bewegungen ansprechen, die leicht durch optische Vergrösserungssysteme beobachtbar zu machen sind.
Dazu kommt, dass eine optische Aufnahmeeinheit in einer beträchtlichen Entfernung von dem sich bewegenden Objekt aufgestellt werden kann, wie z.B. an der Aussenseite einer Feuerung, einer unzugänglichen Kammer und zum Beobachten des Objektes durch ein Fenster oder eine Sichtöffnung.
Trotz der ziemlich klaren und augenscheinlichen Vorteile, welche die Verwendung eines Verstellungsermittlers mit einem optischen Aufnahmesystem hat, weisen die vorbekannten optisch-elektronischen Verstellungsermittler entscheidende operative Unzulänglichkeiten auf, indem sie in vielen Anwendungsfällen, in welchen die optische Aufnahme in anderer Hinsicht vorteilhaft wäre, für den Gebrauch unbrauchbar sind.
Demzufolge haben diese vorbekannten Vorrichtungen nicht die weite Anwendung gefunden, die wünschenswert wäre. Ein sehr bedeutungsvoller Nachteil der bekannten optisch-elektronischen Verstellungsermittler liegt in ihrem Unvermögen, der Messung eine andere Messmarke als eine Kante des Objektes wirksam zugrunde zu legen.
Infolge der Gestaltung der bekannten Vorrichtungen als kantenfolgende Einheit haben sie sich ihrer Natur entsprechend in ihrer Wirkung unbeständig erwiesen und neigen, wenn ihre Arbeitsbedingungen nur sehr wenig von den normalen Bedingungen abweichen, dazu, sich von der Messkante ganz abzuhängen oder über sie hinwegzueilen und sind dann unfähig, die Messkante wieder zu erreichen, bis eine Rückstellung des Apparates von Hand in Richtung auf die Messkante erfolgt ist.
Kantenfolgende Einheiten sind ausserdem sehr empfindlich gegenüber geringen Änderungen der Stärke der Totalbeleuchtung des Objektes und können schnell eine richtig auf die Messkante eingestellte Richtung verlieren, wenn sich die Lichtstärke merklich ändert. Auch kann sich eine kantenfolgende Einheit anfänglich nicht selbsttätig einstellen, um richtig der Messkante zu folgen, welche im Gesichtsfeld der Einheit gewesen sein kann, aber in diesem nicht zentriert war, vielmehr muss die Elektronenröhre einer solchen Vorrichtung mit einer sensitiven Achse anfänglich genau auf die Messkante ausgerichtet sein, wenn irgendwelche Messergebnisse erreichbar sein sollen.
Mit Hinblick auf die oben angeführten und anderen Nachteile der bekannten Verstellungsermittler besteht ein wesentlicher Zweck der Erfindung darin, eine optischelektronische Vorrichtung (Verstellungsermittler) zu schaffen, welche in ihrer Wirkung völlig beständig bleibt, nachdem sie auf eine Messmarke eingestellt worden ist, und sie die Messmarke infolge von Schwankungen der Lichtintensität oder irgendeine der anderen Bedingungen verliert, welche einen solchen Verlust der Messmarke in bekannten optisch-elektronischen Verstellungsermittlen verursachen. Ausserdem soll der erfindungsgemässe Verstellungsermittler so konstruiert sein, dass er das Elektronenbild der Messmarke des Objektes selbsttätig zentriert, wenn es sich anfänglich in einer nicht zentrischen, nicht folgenden Lage befand.
Daraus folgt, dass selbst dann, wenn die Zentrierung der Messmarke vorübergehend aus irgendeinem Grunde verloren geht, wie z.B. durch Erschütterungen der Vorrichtung, vorübergehende Abschaltung des Antriebsstromes oder dergleichen der Apparat selbsttätig unmitttelbar die Zentrierung wieder herstellen soll und zwar ohne die Notwendigkeit einer Rückschaltung von Hand oder dergleichen.
Diese vorstehend angeführten Eigenschaften werden weitgehend dadurch erreicht, dass auf das im Bildwand ler erzeugte Elektronenbild ansprechende Mittel vorgesehen sind, durch welche in Abhängigkeit von den Änderungen der Beleuchtungsstärke zweier Teile der Eintrittsfläche der Röhre je ein einem der Teile zugeordnetes elektrisches Ausgangssignal erzeugbar ist, und die beiden Signale durch weitere Mittel zu einem kombinierten Signal vereinigbar sind, der ihrer Differenz entspricht und Ablenkungsmittel für die Rückführung des Elektronenbildes in seine mittlere Ausgangslage steuert.
Die Stärke des kombinierten Signales repräsentiert dann elektrisch die Bewegung des Messfleckes und kann als eine Anzeige dieser Bewegung abgelesen werden.
Die verwendete Messmarke kann verschiedene Form aufweisen.
Die Vereinigung der beiden Signale kann durch einen Differentialverstärker erfolgen, in welchem die Beleuchtunasstärke der beiden Teile der Eingangsfläche der Röhre entsprechenden Signale in Übereinstimmung mit der Differenz der Beleuchtungsstärke dieser beiden Teile zu einem kombinierten Signal vereinigt werden, der auf die Ablenkungsmittel einwirkt.
Die Ablenkungsmittel für die Rückführung des Elektronenbildes bestehen zweckmässig aus einem an der Aussenseite der Röhre befestigten Joch aus elektromagnetisch oder elektrostatisch wirkenden Elementen. Die Ablenkmittel liegen bei einer bevorzugten Ausführungsform hintereinander mit einem Widerstand in einem Stromkreis, welchem das kombinierte Signal zugeführt wird, und der Widerstand ist parallel mit der Ablesen Anzeige-oder Registriervorrichtung geschaltet, welche eine die Bewegung des Objektes darstellende Anzeige oder Aufzeichnung in Abhängigkeit von dem durch den Widerstand fliessenden Impuls erzeugt.
Weiterhin kann eine Ablesevorrichtung vorgesehen sein, welche durch das kombinierte Signal betätigbar ist und eine die Bewegung des Objektes verkörpernde Anzeige erzeugt.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird eine Bildzerlegerröhre benutzt, deren Ausgangsfläche mit einer verengten mittleren Öffnung versehen ist, durch welche die Elektronen eines nur kleinen Querschnitteiles des Elektronenbildes hindurchtreten, wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche das Elektronenbild auf- und niederbewegt wird und die hindurchtretenden Elektronen skandiert, d.h. taktmässig und zeilenweise zur Wirkung kommen.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung näher erläutert.
In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer ersten Ausführungsform mit einer Bildwandlerröhre.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des optischen elektronischen Systems der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Teilansicht einer abgeänderten Form der Röhre nach Fig. 1 in vergrössertem Massstabe,
Fig. 3a einen Schnitt nach der Linie 3a bis 3a der Fig. 3,
Fig. 4 eine Ansicht entsprechend der Fig. 3, jedoch in einer geänderten Form,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform mit einer Bildzerlegerröhre und einer Eichvorrichtung für den Verstellungsermittler,
Fig. 6 eine andere Form der Eichvorrichtung.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform weist ein Gehäuse 11 auf, das an einem Ende ein optisches Linsensystem 12 trägt, das auf ein Objekt 13 gerichtet ist, das als beweglicher Gegenstand oder bewegliche Fläche anzunehmen ist, die schwarz gefärbt ist, ausgenommen die Stelle eines kleinen weissen zentralen Fleckes 14. Der Fleck befindet sich normalerweise im Gesichtsfeld des Linsensystems 12 zentriert.
Das Objekt 13 kann z.B. ein Ausrüstungsstück sein, das während seiner operativen Tätigkeit z.B. in senkrechter Richtung vibriert, so dass der Fleck 14 entsprechend den Vibrationen sich hin und her bewegt oder schwingt.
Diesen Vibrationsbewegungen des Fleckes soll das Elektronenbild der Röhre folgen. An dem Gehäuse 11 kann eine Betrachtungsvorrichtung 15 angebracht sein, um dem Benutzer zu ermöglichen, ein in dem Gehäuse hergestelltes Bild zu betrachten, welches Bewegungen des Fleckes 14 verkörpert. An einer Wand des Gerätes 10 oder sonstwo kann eine Anzeigevorrichtung 16 angebracht sein, die zum Ablesen dient und entweder eine augenblickliche Anzeige oder eine dauernde Aufzeichnung der Bewegung des Fleckes 14 gestattet.
Die Anzeigevorrichtung 16 kann z.B. ein geeichtes Galvanometer sein, das unmittelbar durch den Ausschlag des Zeigers des Galvanometers die Strecke anzeigt, um welche sich der Fleck 14 von einer anfänglich zentrierten Lage aus bewegt hat. Die Vorrichtung 16 kann auch ein Frequenzmesser sein, welcher die Frequenz der Schwingungsbewegung des Fleckes 14 anzeigt, oder eine Aufzeichnungsvorrichtung zur Herstellung einer Kurve oder einer anderen dauerhaften Aufzeichnung der oben genannten oder anderer Bewegungswerte des Fleckes 14.
Der Verstellungsermittler 10 ist in Fig. 1 auch mit einem an ihm angeordneten biegsamen Bandmass 17 dargestellt, das in ein vom Gehäuse 11 getragenes Bandmassgehäuse 18 einrollbar und auswärts bis zum Objekt 13 ausziehbar ist, um den Abstand des Objektes von dem Apparat 10 anzuzeigen.
In der Fig. 2 ist das Linsensystem 12 schematisch dargestellt. Es wirft ein gewöhnlich umgekehrtes Bild des Objektes 13 auf eine Eingangsfläche 19 einer üblichen Bildwandlerröhre 20. Das Linsensystem 12 ist zweckmässig mit seinem Brennpunkt auf die Eingangsfläche 19 einstellbar, um auf der Fläche 19 ein scharfes Bild des Objektes aus irgendeiner gewünschten Entfernung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu werfen. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, dass die Vorrichtung sich in einer vorbestimmten Entfernung vom Objekt befindet, was der Fall sein würde, wenn ein Linsensystem mit fester Brennweite benutzt werden würde. Das Bild des hellen Messfleckes 14 auf dem Objekt 13 kann nur einen kleinen zentralen Teil der Fläche 19 der Röhre 20 decken. Der Restteil dieser Fläche bildet eine dunkle Bildfläche, entsprechend der umgebenden dunklen Fläche des Objektes 13.
Die Eingangsfläche 19 der Röhre ist als lichtempfindliche Fotokathode ausgebildet, welche in jedem Punkt ihrer Ausdehnung Elektronen entsprechend der Intensität des Lichtes emittiert, das auf ihn fällt. Die Elektronen bilden ein Elektronenbild an der gegenüber- liegenden Endfläche 22 der Röhre 20.
In diesem Elektronenbild entspricht die Anzahl der auf einen bestimmten Teil der Bildfläche treffenden Elektronen dem Betrag des Lichtes, welches auf die entsprechende Stelle der Eingangsfläche 19 fällt, so dass das Elektronenbild eine genaue, umgekehrte Punktfür-Punkt-Abbildung des sichtbaren Bildes auf der Fläche 19 ist. Auf der inneren Oberfläche der durchsichtigen Wand 22 der Röhre 20 ist ein Fluoreszenz-Schirm oder Überzug 23 angebracht, der zweckmässig aus festen Phosphoren besteht, wie solche als P 15 und P 16 bezeichnet werden, um ein sichtbares Bild auf der Endfläche 22 entsprechend dem Elektronenbild zu erzeugen.
Das Elektronenbild und das sich an der Endfläche ergebende sichtbare Bild kann aufwärts oder abwärts und relativ zur Fläche 23 durch Erregung zweier üblicher Ablenkungsspulen 24 abgelenkt werden, welche ein an der Aussenseite der Röhre angebrachtes Joch bilden.
Statt der Spule 24 können Ablenkungsplatten verwendet werden, wenn in einer Anlage eine elektrostatische Ablenkung zweckmässiger als eine elektromagnetische erscheint.
Bildumwandlerröhren dieser Art sind bekannt und üblich, so dass davon abgesehen werden kann, im einzelnen Konstruktion und Wirkungsweise der Röhre zu erläutern. Als typische Darstellung einer Bildumwandlerröhre sei aber auf die US-Patentschrift 2 179 083 verwiesen.
Das auf dem Fluoreszenzschirm 23 der Röhre 20 erzeugte Bild ist in zwei Teile geteilt. Das Licht auf einem dieser Teile, typisch der unteren Hälfte des Schirmes 23, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist auf ein erstes auf Licht ansprechendes Element oder eine Platte 25 gerichtet, während das Licht auf dem oberen Teil des Schirmes 23 in Fig. 2 auf die zweite, untere auf Licht ansprechende Platte 26 gerichtet ist. Um das Licht von den beiden Hälften des Fluoreszenzschirmes 23 in dieser Weise zu lenken, kann eine Linse 27 verwendet werden, welche ein umgekehrtes Bild des Schirmes 23 in der Ebene 28 der Fig. 2 herstellt, und zwar mittels einer keilförmigen Spiegelkonstruktion 29, deren Scheitelkante 30 in waagerechter Richtung in der Mitte des in der Ebene 28 geofrmten Bildes liegt, und der Mittellinie 31 des Schirmes 23 entspricht.
Der Keil 29 hat eine obere geneigte reflektierende Spiegelfläche 32, welche das ganze Licht oberhalb der Linie 30 aufwärts zurückwirft auf die auf Licht ansprechende gebogene Platte 25, während eine untere reflektierende Spiegelfläche 33 ähnlich das Licht der unteren Hälfte des Bildes in de Ebene 28 abwärts auf die untere Platte 26 reflektiert.
Die beiden Platten 25 und 26 sind fotoelektrische Detektoren, welche zwei elektrische, in ihrer Intensität veränderliche Signale in den Leitungen 34, 35 erzeugen in Übereinstimmung mit den Änderungen der Intensität der Totalelektronenströme, welche auf der oberen bzw. unteren Hälfte des Fluoreszenzschirmes 23 der Röhre 20 auftreffen. Diese beiden Ströme werden in einen Differentialverstärker 36 geführt, und zwar in Gegenwirkung zueinander, und der Verstärker ruft in Ausgangsleitungen 37 und 38 einen verstärkten Strom hervor, welcher in Übereinstimmung mit und proportional zu den Änderungen der Differenz zwischen den beiden Impulsen ist, welche dem Differentialverstärker 36 von den Platten 25 und 26 zugeführt werden.
Dieser Ausgang des Verstärkers fliesst durch die Ablenkungsspulen 24 in einer Richtung, in welcher eine Ablenkung oder Verstellung des elektronischen Bildes innerhalb der Röhre 20 in einer Richtung und mit einem Betrag bewirkt wird, der die Änderung der Position des Bildes auf den Schirm 23 aufhebt, welche vorher durch die Differenz zwischen den Ausgängen aus den beiden fotoelektrischen Platten 25 und 26 hervorgerufen worden war.
Der Rückführungs-Ablenkungsimpuls, der auf diese Weise in die Ablenkungsspulen 24 geliefert wird, geht durch einen Widerstand 39, in Reihe mit welchem der Messer, Aufzeichner oder eine andere Ableseeinheit 16 geschaltet ist, um so eine Anzeige entsprechend den Änderungen des Abweichungsimpulses hervorzurufen.
Die oben erwähnte Betrachtungseinheit 15 (Fig. 2) kann an einer geeigneten Stelle an dem Gerät 10 angebracht sein, um dem Benutzer zu ermöglichen, unmittelbar den Fluoreszenzschirm 23 zu jeder Zeit betrachten zu können. Diese Betrachtungseinheit 15 kann einen halbreflektierenden Spiegel 40 enthalten, welcher geeignet ist, einen gewünschten Teil des Lichts des Schirmes 23 auf die Platten 25 und 26 durchzulassen, z.B. ungefähr die Hälfte dieses Lichtes, und ferner geeignet ist, den Rest des Lichtes aufwärts in eine Betrachtungslinse 41 zu werfen. Der Benutzer kann dann abwärts durch die Linse 41 schauen, um das Bild auf dem Schirm 23 zu betrachten.
Ein Ausschalter 42 kann in den Ausgangsstromkreis 37, 38 des Differentialverstärkers 36 eingefügt werden, um zeitweise alle Ablenkströme innerhalb der Spulen 24 abzuschalten, so dass das abgelenkte Elektronenbild auf dem Schirm 23 sich vorübergehend in eine Stellung bewegen lässt, welche genau der Stellung des Bildes der Fläche 14 auf der Eingangsfläche 19 der Röhre 20 entspricht, um dem Betrachter zu ermöglichen, diese Verstellung festzustellen, wenn er durch die Einheit 15 blickt. Eine liniierte Transparentplatte 141 mit Linien oder einem Fadenkreuz, welche Skalenmarken zur Anzeige von Dimensionen aufweisen, kann in der Bildebene der Betrachtungseinheit 15 vorgesehen sein, um eine visuelle Messung der Verstellung des betrachteten Fleckbildes zu ermöglichen.
Um nun die Art des Gebrauches der Vorrichtung gemäss der Fig. 1 und 2 zu beschreiben, so sei angenommen, dass die Einheit 10 so ausgerichtet ist, dass das Bild des beleuchteten Fleckes 14 anfänglich genau in der Mitte der Fläche 19 liegt. In diesem Zustande sind die Spulen 24 ohne Ablenkungsstrom und die Röhre 20 erzeugt ein elektronisches Bild u. ein sich daraus ergebendes sichtbares Bild auf dem Fluoreszenzschirm 23, welches genau dem sichtbaren Bild auf der Fläche 19 entspricht, wobei das Bild des hellen Fleckes 14 anfänglich genau in der Mitte des Schirmes 23 angeordnet ist. Demzufolge richten die Linsen 27 und die Reflektoren 32 und 33 genau eine Hälfte des Lichtes der zentral beleuchteten Fläche des Schirmes 23 nebst dem Bild des Fleckes 14 auf das fotoelektrische Element 25, während die andere oder untere Hälfte des Lichtes auf Element 26 gerichtet ist.
Die Ausgänge aus den fotoelektrischen Platten 25 und 26 sind daher genau gegeneinander ausgeglichen, so dass kein Signal in den Leitungen 37 und 38 erzeugt wird, das zu den Ablenkungsspulen geführt wird.
Wenn sich nun das Objekt 13 nebst seinem weissen Fleck 14 eine kurze Strecke aufwärts bewegt, so hat dies eine entsprechende Abwärtsbewegung des Bildes des Flekkes 14 auf der Fläche 19 u. eine entsprechende Aufwärtsbewegung des Elektronenbildes sowie eine ähnliche Aufwärtsbewegung des Elektronenbildes und des sichtbaren Bildes auf Schirm 23 zur Folge. Wenn jedoch das sichtbare Bild auf Schirm 23 sich sehr wenig aufwärts bewegt, so vergrössert sich der Betrag des auf die Platte 26 fallenden Lichtes, während sich der Betrag des auf die Platte 25 fallenden Lichtes verringert, so dass das Signal in der Leitung 35 stärker als der elektrische Impuls in Leitung 34 wird und der Differentialverstärker 36 daher einen Ausgangsstrom in den Ablenkungsspulen 24 erzeugt.
Dieser Strom lenkt das Elektronenbild gerade genügend abwärts, um die geringe Aufwärtsbewegung des Messfleckes 14 zu kompensieren und den hellen Fleck 14 auf Schirm 23 genau auf dessen Mitte zu halten.
Ähnlich bringt die Abwärtsbewegung des Fleckes 14 eine umgekehrte Wirkung des Differentialverstärkers 36 und der Ablenkungsspulen 24 hervor, um ein aufwärts ablenkendes Magnetfeld herzustellen, welches das Bild des Fleckes 14 auf Schirm 23 aufwärts in die richtige zentrale Stellung bringt. Auf diese Weise bleibt ohne Rücksicht auf die Bewegungen des Fleckes 14 sein Bild immer auf diesem Schirm 23 zentriert, und der an die Ablenkungsspulen 24 abgegebene Rückstrom, welcher genau der in jedem besonderen Augenblick erforderliche Strombetrag ist, um die Bewegung des Messfleckes 14 zu kompensieren, ist immer proportional dem Betrag der Verstellung des Fleckes 14 aus der anfänglich zentrierten Lage.
Das Galvanometer 16 oder ein anderes Anzeigeinstrument zeigt den an die Ablenkungsspulen 24 abgegebenen Strombetrag an, so dass sein Zeiger eine unmittelbare Anzeige der Verschiebung des Fleckes 14 in eine von zwei entgegengesetzten Richtungen (aufwärts oder abwärts) bewirkt. Fig. 3 und 3a illustrieren fragmentarisch eine Anordnung, welche grundsätzlich mit der den Fig. 1 und 2 übereinstimmt, mit Ausnahme der dargestellten Änderung der Röhre 20a und des daraus folgenden Wegfalls des optischen Systems zwischen der Röhre 20a und dem Differentialverstärker 26a.
In den Fig. 3 und 3a ist der Fluoreszenzschirm 23 der Fig. 2 weggelassen und durch zwei sich ergänzende elektrisch leitende Querplatten 25a und 26a ersetzt, welche im wesentlichen den ganzen Querschnitt der inneren Fläche der Wand 22a der Röhre bedecken und längs einer schmalen waagerechten Linie 31 a gegeneinander isoliert sind, so dass die obere Hälfte von der unteren Hälfte des Schirmes getrennt ist. Ein Elektronenbild, wie ein solches auf dem Fluoreszenzschirm 23 der Fig. 2 fällt, trifft unmittelbar auf die beiden Platten 25a und 26a der Fig. 3, und zwar mit seiner oberen Hälfte auf die Platte 25a und mit seiner unteren Hälfte auf die Platte 26a. Die Elektronen dieses Bildes erzeugen Strom, welche durch die Leitungen en 34a und 35a nach dem Differentiaiverstär- ker 36a fliessen.
Diese Ströme bilden Impulse, die den beiden Impulsen entsprechen, welche dem Differentialverstärker 36 der Fig. 2 zugeführt werden und diese Impulse erzeugen einen Ausgang, welcher zu den Ablenkungsspulen 24a zurückgeführt wird, in der gleichen Weise wie zu Fig. 2 erläutert ist. Das Ablesen dieser zusammengesetzten oder kombinierten Ablenkungsimpulse wird durchgeführt, wie oben auseinandergesetzt und das Elektronenbild wird in der gleichen Weise wie in Fig. 2 abgelenkt, um immer in der Mitte der Endfläche 20a der Röhre, eine Hälfte auf der Platte 25a und die andere Hälfte auf der Platte 26a zu halten, ohne Rücksicht auf die Bewegungen des Messfleckes 14 am Objekt.
Es wird auch ins Auge gefasst, dass der Fluoreszenzschirm 23 der Fig. 2 selbst wie die Platte 25a und 26a der Fig. 3 wirken kann, wenn er bei 31 (Fig. 2) in geeigneter Weise getrennt und die Teile voneinander isoliert werden.
Fluoreszenzschirme sind normalerweise leitend gemacht, wie dies für die Fig. 3 erforderlich ist, um die Elektronen abzuschwächen. Wenn Platten 25a und 26a fluoreszent sind, können sie durch eine Betrachtungsvorrichtung, wie eine solche bei 15 in Fig. 2 dargestellt ist, optisch abgelesen werden.
Fig. 4 zeigt eine Änderung der Anordnung der Fig. 3, bei welcher anstelle der beiden Platten 25a und 26a ein Paar von elektronischen Vervielfältigern 25b und 26b, die schematisch dargestellt sind und in der oberen bzw. der unteren Hälfte Elektronen des elektrischen Bildes in der Röhre 20b empfangen bzw. auf solche ansprechen, um elektrische Signale in die Leitungen 34b und 35b zu schicken bzw. dem Differentialverstärker 36b zuzuführen. Die Wirkungsweise der übrigen Teile des Apparates ist die gleiche, wie die gemäss den Fig. 1 und 2.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, welche eine übliche Bildzerlegerröhre 20c anstelle einer Bildumwandlerröhre gemäss Fig. 2 verwendet. Bei dieser Bildzerlegerröhre ist die Eingangsfläche 19c als Fotokathode ausgebildet. auf welche ein optisches Bild des Objektes 13c und ihres hellen zentralen Messfleckes 14c durch ein Linsensystem 12c projiziert wird. Wie gemäss Fig. 2 bildet die Röhre 20c ein Elektronenbild, welches in Fig. 5 durch ein nicht dargestelltes Elektronenlinsensystem auf eine leitende Platte 23c gelenkt wird.
Die Platte 23c ist in der Nähe des Endes 22c der Röhre 20c angeordnet. Sie ist elektrisch leitend und fängt die Elektronen des Elektronenbildes ab, ausgenommen diejenigen, die durch eine kleine zentrale Öffnung 43 der Platte 23c hindurchtreten. Die durch die öffnung 43 hindurchtretenden Elektronen bilden einen örtlich beschränkten Teil des Elektronenbildes, der nach rechts in einen schematisch dargestellten Elektronenvervielfältiger 44 gelangt. Die Ablenkungsspulen 24c werden ständig durch eine Wechselstromquelle 45 erregt, um fortlaufend die durch die Öffnung 43 hindurchtretenden Elektronen auf- und abwärts über die leitende Platte 23c zu skandieren, d.h. taktmässig durch die Wechsel des Wechselstromes das Blektronenfeld in einzelne Zeilen aufzulösen und auf den Elektronenvervielfältiger 44 zu übertragen.
Die durch die öffnung 43 in einem gewissen Zeitpunkt passierenden Elektronen seien als solche angenommen, welche dem obersten Teil des auf der Eingangsfläche 19c sichtbaren Bildes zugeordnet sind; die unmittelbar durch die öffnung 43 folgenden Elektronen sind einem nach unten folgenden Teil des sichtbaren Bildes auf der Fläche 19c zugeordnet usw., bis das ganze Bild skandiert worden ist und die zuletzt durch die Öffnung 43 gehenden Elektronen zum untersten Teil des sichtbaren Bildes der Fläche 19c gehören. Nach einem solchen abwärts erfolgenden Skandieren quer über das Bild werden die durch die öffnung 43 gehenden Elektronen aufwärts in der gleichen Weise skandiert und zwar bei einer Frequenz, welche abhängig von der Frequenz der Wechselstromquelle 45 ist.
Der Elektronenvervielfältiger 44 erzeugt einen Ausgangsimpuls in einer Leitung 46, welcher sich in Übereinstimmung mit den Änderungen der Anzahl der durch die Öffnung 43 gehenden Elektronen ändert. Das Signal passiert einen Schaltstromkreis 47, der durch die Wechsel der Wechselstromquelle 45 zeitlich gesteuert wird, was durch die gestrichelte Linie 48 in Fig. 5 angedeutet sei.
Der Schaltstromkreis 47 teilt das Signal in der Leitung 46 in voneinander getrennte Hälften, welche zwei Signale in den Leitungen 34c bzw. 35c bilden und in den Differentialverstärker 36c geleitet werden.
Der Schaltstromkreis 47 schickt die Ausgangsleitung des Elektronenvervielfältigers 44 in die Leitung 34c immer, wenn die Elektronen, welche durch die Öffnung 43 hindurchtreten, einen Teil der Eingangsfläche 19c oberhalb der Mittellinie 49 darstellen. In dem Augenblick, in welchem die oben beschriebene skandierende Operation einen Punkt erreicht, in welchem die durch die Öffnung 43 hindurchtretenden Elektronen dem Zentrum des optischen Bildes auf der Eingangsfläche 19 entsprechen, ändert sich die Wirkung des Schaltstromkreises 47 in der Weise, dass die Ausgangsleistung des Elektronenvervielfältigers 44 in die Leitung 35c geht und Elektronen skandiert werden, welche zu Teilen des sichtbaren Bildes unterhalb der Mittellinie 49 der Fläche 19c gehören usw.
Im Hinblick auf diese Schaltfunktion entsprechen die Signale in den Leitungen 34c und 35c sehr genau den Signalen in den Leitungen 34 und 35 der Fig. 2 und können in der gleichen Weise durch den Differentialverstärker 36 behandelt werden, um einen kombinierten Differentialimpuls in den Leitungen 37c und 38c zu erzeugen, welcher zu den Ablenkungsspulen 24c zurückgeführt werden kann (oder zu einem zweiten Satz von Ablenkungsspulen oder Platten, wenn solche zweckmässig erscheinen), um genau jede Aufwärts- oder Abwärtsbewegung von der mittleren Lage des senkrecht skandierten Elektronenbildes innerhalb der Röhre 20c zu kompensieren, welche Bewegung des Elektronenbildes sich aus der Aufwärts- und Abwärtsverstellung des Messflekkes 14c ergibt.
Auf diese Weise hält das kompensierende Signal in den Leitungen 37c und 38c das senkrecht schwingende Elektronenbild in einer zentralen Lage auf der Platte 23c, unabhängig von der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Objektes 13c, so dass ein Aufzeichner oder ein anderes Ableseelement 1 6c typisch in Serie mit einem Widerstand 39c geschaltet, eine Anzeige des kompensierenden Stromes erzeugt, der zu den Ablenkungsspulen geführt wird und daher eine genaue Anzeige oder Aufzeichnung der Verstellung des Objektes 13c bewirken kann. In der Fig. 5 ist ein Testobjeki 13c, 14c als getragen von einem Spezialeichungsinstru-X. ent 49 dargestellt oder bildet einen Teil desselben.
Das Eichungsinstrument kann die Form eines Vibrators oder eines mechanischen Oszillators annehmen und einen vibrierenden, aufwärts gerichteten Schaft 50 haben, an welchem das Objekt 13c, 14c befestigt ist. Der Vibrator kann zum Schwingen in einer vorbestimmten Frequenz eingerichtet sein oder er kann auf verschiedene Frequenzen einstellbar ausgebildet sein, und das Objekt 1 3c und den Messfleck 14c um verschiedene vorbestimmte messbare Längen zu verstellen, oder in einstellbare Amplituden schwingen zu lassen. Die Eichvorrichtung kann dazu verwendet werden, den Aufzeichner 16c auf eine genaue Anzeige der Frequenz oder eine Verstellungsstrecke des Objektes zu eichen oder um in anderer Weise die Vorrichtung zu testen.
Fig. 6 zeigt einen anderen Typ einer Eichvorrichtung 51, welche zwei elektrische Lampen 52 und 53 aufweist, die sich beide innerhalb des Gesichtsfeldes des Linsensystems 12 der Einheit 20 der Fig. 1 befinden und die abwechselnd mit Wechselstrom versorgt werden, um hierdurch eine scheinbare Bewegung der beleuchteten Fläche innerhalb des Gesichtsfeldes des Linsensystems 12 hervorzurufen, um die Vorrichtung zu eichen oder um die Reaktion des Bewegungsermittlers 20 auf eine solche scheinbare Bewegung einer beleuchteten Fläche zu testen.
In allen beschriebenen Formen der Erfindung führt der erörterte Differential- oder Zweisignaltyp für das Ansprechen auf Bewegungen des Objektes zu einer hohen Beständigkeit des dem bewegenden Objekt nachfolgenden Systems und zu erhöhter Fähigkeit, den Anschluss an das Objekt aufrecht zu erhalten und das Verlieren des Objektes ohne Rücksicht auf Veränderungen der äusseren Arbeitsbedingungen zu vermeiden, welche andere Systeme nachteilig beeinflusse
Device for the optical-electronic contactless determination of the movement of an object
The invention relates to a device for opto-electronic contactless determination of the movement of an object.
The main field of application of the invention relates to motion recordings of inaccessible complicated machine mechanisms, of mechanisms during the operation of the machines, of objects located in fires or those that emit dangerous rays and those that are in inaccessible Ent distances.
Known devices of this type project the moving or apparently moving object optically onto an image converter, convert the optical image into an electron image and then produce an electrical pulse which changes in accordance with and represents the movement value of the object.
So far, such types of opto-electronic devices have been proposed, which were primarily intended for use in cases in which advantages can be obtained by avoiding contact of any kind with the object to be examined, e.g. comes into question when a faster reaction to the movements of the object, faster optically than can be achieved by some kind of mechanical connection with the object. When such optical sensing or picking is used, the movement responsive apparatus does not exert mechanical resistance to movement on the object and can respond to much faster movements than when mechanical action is required. It can also respond to very small or slow movements that can easily be made observable using optical magnification systems.
In addition, an optical pickup unit can be set up at a considerable distance from the moving object, e.g. on the outside of a furnace, an inaccessible chamber and for observing the object through a window or viewing opening.
Despite the fairly clear and obvious advantages of using a displacement detector with an optical recording system, the previously known optical-electronic displacement determiners have significant operational inadequacies in that they are used in many applications in which the optical recording would be advantageous in other respects Useless.
As a result, these prior art devices have not found the wide application that would be desirable. A very significant disadvantage of the known opto-electronic displacement determiners is their inability to effectively base the measurement on a measurement mark other than an edge of the object.
As a result of the design of the known devices as an edge-following unit, they have proven to be inconsistent in their effect according to their nature and, if their working conditions deviate only very little from the normal conditions, tend to depend entirely on the measuring edge or to hurry over it and are then unable to reach the measuring edge again until the device has been reset by hand in the direction of the measuring edge.
Edge-following units are also very sensitive to small changes in the intensity of the total illumination of the object and can quickly lose a direction correctly adjusted to the measuring edge if the light intensity changes noticeably. Also, an edge-following unit cannot initially adjust itself automatically in order to correctly follow the measuring edge, which may have been in the field of view of the unit, but was not centered in it; rather, the electron tube of such a device must initially precisely point to the measuring edge with a sensitive axis be aligned if any measurement results are to be achieved.
With regard to the above-mentioned and other disadvantages of the known adjustment determiners, an essential purpose of the invention is to create an optoelectronic device (adjustment determiners) which remains completely stable in its effect after it has been set to a measuring mark and it is the measuring mark loses due to fluctuations in light intensity or any of the other conditions which cause such loss of the measuring mark in known opto-electronic displacement means. In addition, the displacement determiner according to the invention should be constructed in such a way that it automatically centers the electron image of the measurement mark of the object if it was initially in a non-centric, non-following position.
It follows that even if the centering of the measuring mark is temporarily lost for some reason, e.g. by shaking the device, temporarily switching off the drive current or the like, the device should automatically and immediately restore the centering without the need to switch back by hand or the like.
These above-mentioned properties are largely achieved in that responsive means are provided for the electron image generated in the image converter, by means of which an electrical output signal assigned to one of the parts can be generated depending on the changes in the illuminance of two parts of the entrance surface of the tube, and the the two signals can be combined by further means to form a combined signal which corresponds to their difference and controls deflection means for returning the electron image to its central starting position.
The strength of the combined signal then electrically represents the movement of the measurement spot and can be read off as an indication of this movement.
The measuring mark used can have different shapes.
The combination of the two signals can be done by a differential amplifier in which the illuminance of the two parts of the input surface of the tube corresponding signals are combined in accordance with the difference of the illuminance of these two parts into a combined signal which acts on the deflection means.
The deflection means for the return of the electron image expediently consist of a yoke attached to the outside of the tube made of electromagnetically or electrostatically acting elements. In a preferred embodiment, the deflection means lie one behind the other with a resistor in a circuit to which the combined signal is fed, and the resistor is connected in parallel with the reading display or recording device, which displays or records the movement of the object as a function of the generated by the resistance flowing impulse.
Furthermore, a reading device can be provided which can be actuated by the combined signal and generates a display embodying the movement of the object.
In a second embodiment of the invention an image decomposition tube is used, the output surface of which is provided with a narrowed central opening through which the electrons of only a small cross-section of the electron image pass, means being provided through which the electron image is moved up and down and which pass through Electrons scanned, ie come into effect in a measure and line by line.
In the following, exemplary embodiments of the device according to the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
In the accompanying drawing show:
1 is a perspective view of a first embodiment with an image converter tube.
FIG. 2 shows a schematic representation of the optical electronic system of the device according to FIG. 1,
3 shows a partial view of a modified form of the tube according to FIG. 1 on an enlarged scale,
3a shows a section along the line 3a to 3a of FIG. 3,
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3, but in a modified form.
5 shows a schematic representation of a second embodiment with an image splitting tube and a calibration device for the adjustment determiner,
6 shows another form of calibration device.
The first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 has a housing 11 which carries at one end an optical lens system 12 which is directed onto an object 13 which is to be assumed as a movable object or a movable surface which is colored black, except for the location of a small white central spot 14. The spot is normally centered in the field of view of the lens system 12.
The object 13 can e.g. be a piece of equipment that during its operational activity e.g. vibrates in the vertical direction so that the spot 14 reciprocates or oscillates in accordance with the vibrations.
The electron image of the tube should follow these vibratory movements of the spot. A viewing device 15 can be attached to the housing 11 to enable the user to view an image produced in the housing which embodies movements of the spot 14. A display device 16, which is used for reading and allows either an instantaneous display or a permanent recording of the movement of the spot 14, can be attached to a wall of the device 10 or elsewhere.
The display device 16 may e.g. be a calibrated galvanometer which, by the deflection of the galvanometer's pointer, indicates the distance by which the spot 14 has moved from an initially centered position. The device 16 can also be a frequency meter, which indicates the frequency of the oscillatory movement of the spot 14, or a recording device for producing a curve or another permanent record of the above-mentioned or other movement values of the spot 14.
The adjustment determiner 10 is also shown in FIG. 1 with a flexible tape measure 17 arranged on it, which can be rolled into a tape measure housing 18 carried by the housing 11 and pulled outward to the object 13 in order to display the distance of the object from the apparatus 10.
The lens system 12 is shown schematically in FIG. 2. It throws a usually inverted image of the object 13 onto an input surface 19 of a conventional image converter tube 20. The lens system 12 is expediently adjustable with its focal point on the input surface 19 in order to provide a sharp image of the object on the surface 19 from any desired distance within a predetermined range to throw. In this way it is not necessary that the device be at a predetermined distance from the object, which would be the case if a lens system with a fixed focal length were used. The image of the bright measurement spot 14 on the object 13 can only cover a small central part of the surface 19 of the tube 20. The remaining part of this area forms a dark image area, corresponding to the surrounding dark area of the object 13.
The input surface 19 of the tube is designed as a light-sensitive photocathode, which at every point of its extent emits electrons according to the intensity of the light that falls on it. The electrons form an electron image on the opposite end face 22 of the tube 20.
In this electron image, the number of electrons hitting a certain part of the image area corresponds to the amount of light which falls on the corresponding point on the input surface 19, so that the electron image is an exact, inverted point-by-point image of the visible image on the surface 19 is. On the inner surface of the transparent wall 22 of the tube 20, a fluorescent screen or coating 23 is attached, which conveniently consists of solid phosphors, such as P 15 and P 16, to form a visible image on the end face 22 corresponding to the electron image to create.
The electron image and the resulting visual image at the end face can be deflected up or down and relative to the face 23 by energizing two conventional deflection coils 24 which form a yoke attached to the outside of the tube.
Instead of the coil 24, deflection plates can be used if an electrostatic deflection appears to be more appropriate than an electromagnetic deflection in a system.
Image converter tubes of this type are known and customary, so that it is not necessary to explain the construction and mode of operation of the tube in detail. For a typical illustration of an image converter tube, however, reference is made to US Pat. No. 2,179,083.
The image produced on the fluorescent screen 23 of the tube 20 is divided into two parts. The light on one of these parts, typically the lower half of the screen 23, as can be seen from FIG. 2, is directed onto a first light-responsive element or plate 25, while the light on the upper part of the screen 23 in FIG is directed to the second, lower light responsive plate 26. In order to direct the light from the two halves of the fluorescent screen 23 in this way, a lens 27 can be used which produces an inverted image of the screen 23 in the plane 28 of FIG. 2 by means of a wedge-shaped mirror construction 29, the apex edge of which 30 lies in the horizontal direction in the center of the image geofrmten in the plane 28, and the center line 31 of the screen 23 corresponds.
Wedge 29 has an upper inclined reflective mirror surface 32 which reflects all light above line 30 upwards onto light responsive curved plate 25, while a lower reflective mirror surface 33 similarly reflects light from the lower half of the image in plane 28 downwards the lower plate 26 reflects.
The two plates 25 and 26 are photoelectric detectors which generate two electrical signals, variable in their intensity, in the lines 34, 35 in accordance with the changes in the intensity of the total electron currents which are applied to the upper and lower halves of the fluorescent screen 23 of the tube 20, respectively hit. These two currents are fed into a differential amplifier 36, in opposition to one another, and the amplifier produces an amplified current on output lines 37 and 38 which is in accordance with and proportional to the changes in the difference between the two pulses sent to the differential amplifier 36 from the plates 25 and 26 are fed.
This output of the amplifier flows through the deflection coils 24 in a direction in which a deflection or displacement of the electronic image within the tube 20 is effected in a direction and by an amount which cancels out the change in the position of the image on the screen 23 which was previously caused by the difference between the outputs from the two photoelectric plates 25 and 26.
The return deflection pulse thus supplied to deflection coils 24 passes through a resistor 39 in series with which the knife, recorder or other reading unit 16 is connected so as to produce an indication of the changes in the deviation pulse.
The above-mentioned viewing unit 15 (FIG. 2) can be attached to a suitable location on the device 10 in order to enable the user to be able to view the fluorescent screen 23 directly at any time. This viewing unit 15 may contain a semi-reflective mirror 40 which is suitable for transmitting a desired part of the light from the screen 23 onto the plates 25 and 26, e.g. about half of this light, and is also suitable for throwing the rest of the light upwards into a viewing lens 41. The user can then look down through lens 41 to view the image on screen 23.
An off switch 42 can be inserted into the output circuit 37, 38 of the differential amplifier 36 in order to temporarily switch off all deflection currents within the coils 24, so that the deflected electron image on the screen 23 can be temporarily moved into a position which exactly corresponds to the position of the image Surface 14 on the input surface 19 of the tube 20 corresponds to in order to enable the viewer to determine this displacement when looking through the unit 15. A lined transparent plate 141 with lines or a crosshair, which have scale marks for displaying dimensions, can be provided in the image plane of the viewing unit 15 in order to enable a visual measurement of the displacement of the observed spot image.
In order to now describe the type of use of the device according to FIGS. 1 and 2, it is assumed that the unit 10 is oriented such that the image of the illuminated spot 14 initially lies exactly in the center of the surface 19. In this condition, the coils 24 are without deflection current and the tube 20 produces an electronic image and the like. a resulting visible image on the fluorescent screen 23 which corresponds exactly to the visible image on the surface 19, the image of the bright spot 14 initially being arranged exactly in the center of the screen 23. Accordingly, the lenses 27 and the reflectors 32 and 33 direct exactly one half of the light of the centrally illuminated area of the screen 23 together with the image of the spot 14 onto the photoelectric element 25, while the other or lower half of the light is directed onto the element 26.
The outputs from the photoelectric plates 25 and 26 are therefore precisely balanced with respect to one another, so that no signal is generated in the lines 37 and 38 which is fed to the deflection coils.
If the object 13 moves upwards a short distance along with its white spot 14, this has a corresponding downward movement of the image of the spot 14 on the surface 19 and the like. a corresponding upward movement of the electron image and a similar upward movement of the electron image and the visible image on screen 23 result. If, however, the visible image on screen 23 moves very little upwards, the amount of light falling on plate 26 increases while the amount of light falling on plate 25 decreases, so that the signal on line 35 is stronger than the electrical pulse in line 34 becomes and the differential amplifier 36 therefore produces an output current in the deflection coils 24.
This current directs the electron image downward just enough to compensate for the slight upward movement of the measuring spot 14 and to keep the bright spot 14 on screen 23 exactly in its center.
Similarly, the downward movement of the spot 14 brings about the reverse action of the differential amplifier 36 and deflection coils 24 to produce an upwardly deflecting magnetic field which brings the image of the spot 14 on screen 23 up into the correct central position. In this way, regardless of the movements of the spot 14, its image always remains centered on this screen 23, and the return current delivered to the deflection coils 24, which is exactly the amount of current required at any particular moment to compensate for the movement of the measuring spot 14, is always proportional to the amount of displacement of the spot 14 from the initially centered position.
The galvanometer 16 or other indicating instrument indicates the amount of current being delivered to the deflection coils 24 so that its pointer provides an immediate indication of the displacement of the spot 14 in either of two opposite directions (up or down). 3 and 3a illustrate fragmentarily an arrangement which basically corresponds to that of FIGS. 1 and 2, with the exception of the illustrated modification of the tube 20a and the consequent elimination of the optical system between the tube 20a and the differential amplifier 26a.
In Figures 3 and 3a, the fluorescent screen 23 of Figure 2 is omitted and replaced by two complementary electrically conductive transverse plates 25a and 26a which cover substantially the entire cross-section of the inner surface of the wall 22a of the tube and along a narrow horizontal line 31 a are insulated from one another, so that the upper half is separated from the lower half of the screen. An electron image, such as one that falls on the fluorescent screen 23 of FIG. 2, strikes the two plates 25a and 26a of FIG. 3, with its upper half on the plate 25a and with its lower half on the plate 26a. The electrons in this image generate electricity which flows through the lines 34a and 35a to the differential amplifier 36a.
These currents form pulses corresponding to the two pulses applied to the differential amplifier 36 of FIG. 2 and these pulses produce an output which is fed back to the deflection coils 24a in the same manner as explained for FIG. The reading of these composite or combined deflection pulses is carried out as explained above and the electron image is deflected in the same manner as in Fig. 2, always in the center of the end face 20a of the tube, one half on the plate 25a and the other half of the plate 26a, regardless of the movements of the measurement spot 14 on the object.
It is also contemplated that the fluorescent screen 23 of Figure 2 itself may act like the plate 25a and 26a of Figure 3 if suitably separated at 31 (Figure 2) and the parts isolated from one another.
Fluorescent screens are normally made conductive, as is necessary for Figure 3, in order to attenuate the electrons. If plates 25a and 26a are fluorescent, they can be optically read by a viewing device such as shown at 15 in FIG.
Fig. 4 shows a modification of the arrangement of Fig. 3, in which instead of the two plates 25a and 26a a pair of electronic duplicators 25b and 26b, which are shown schematically and in the upper and lower halves of the electrical image in the Receiving or responding to tube 20b to send electrical signals on lines 34b and 35b or to supply differential amplifier 36b. The mode of operation of the other parts of the apparatus is the same as that according to FIGS. 1 and 2.
FIG. 5 shows a second embodiment of the invention which uses a conventional image decomposition tube 20c instead of an image converter tube according to FIG. In this image decomposition tube, the input surface 19c is designed as a photocathode. on which an optical image of the object 13c and its bright central measurement spot 14c is projected through a lens system 12c. As shown in FIG. 2, the tube 20c forms an electron image which, in FIG. 5, is directed onto a conductive plate 23c by an electron lens system (not shown).
The plate 23c is positioned near the end 22c of the tube 20c. It is electrically conductive and intercepts the electrons of the electron image, with the exception of those that pass through a small central opening 43 in the plate 23c. The electrons passing through the opening 43 form a locally limited part of the electron image which reaches a schematically illustrated electron multiplier 44 to the right. The deflection coils 24c are continuously energized by an AC power source 45 to continuously scan the electrons passing through the opening 43 up and down across the conductive plate 23c, i. to break up the metal electron field into individual lines by changing the alternating current and to transfer it to the electron multiplier 44.
The electrons passing through the opening 43 at a certain point in time are assumed to be those which are assigned to the uppermost part of the image visible on the input surface 19c; the electrons immediately following through the opening 43 are assigned to a downward part of the visible image on the surface 19c, etc., until the entire image has been scanned and the electrons that passed through the opening 43 to the lowest part of the visible image of the surface 19c belong. After such downward scanning across the image, the electrons passing through the opening 43 are scanned upward in the same way, specifically at a frequency which is dependent on the frequency of the alternating current source 45.
The electron multiplier 44 produces an output pulse on a line 46 which changes in accordance with changes in the number of electrons passing through the opening 43. The signal passes through a switching circuit 47 which is timed by the alternation of the alternating current source 45, which is indicated by the dashed line 48 in FIG.
The switching circuit 47 divides the signal in the line 46 into halves which are separated from one another, which form two signals in the lines 34c and 35c, respectively, and which are passed into the differential amplifier 36c.
The switching circuit 47 sends the output lead of the electron multiplier 44 to the lead 34c whenever the electrons passing through the opening 43 represent a part of the input surface 19c above the center line 49. The moment the above-described scanning operation reaches a point at which the electrons passing through the opening 43 correspond to the center of the optical image on the input surface 19, the action of the switching circuit 47 changes in such a way that the output power of the Electron multiplier 44 goes into line 35c and electrons are scanned which belong to parts of the visible image below the center line 49 of surface 19c, etc.
In terms of this switching function, the signals on lines 34c and 35c correspond very closely to the signals on lines 34 and 35 of FIG. 2 and can be treated in the same manner by differential amplifier 36 to produce a combined differential pulse on lines 37c and 38c, which can be fed back to the deflection coils 24c (or to a second set of deflection coils or plates, if such seem appropriate) to precisely compensate for any upward or downward movement from the central position of the vertically scanned electron image within the tube 20c , which movement of the electron image results from the upward and downward adjustment of the measuring spot 14c.
In this way, the compensating signal in lines 37c and 38c keeps the vertically oscillating electron image in a central position on plate 23c, independent of the upward and downward movement of object 13c, so that a recorder or other reading element 1 6c is typically in series connected to a resistor 39c, produces an indication of the compensating current which is supplied to the deflection coils and can therefore effect an accurate indication or recording of the displacement of the object 13c. 5 shows a test object 13c, 14c as being carried by a special calibration instru-X. ent 49 shown or forms part of the same.
The calibration instrument may take the form of a vibrator or a mechanical oscillator and have a vibrating, upwardly directed shaft 50 to which the object 13c, 14c is attached. The vibrator can be set up to oscillate at a predetermined frequency or it can be designed to be adjustable to different frequencies, and to adjust the object 13c and the measuring spot 14c by different predetermined measurable lengths, or to oscillate them in adjustable amplitudes. The calibration device can be used to calibrate the recorder 16c for an accurate display of the frequency or a displacement distance of the object or to test the device in some other way.
Fig. 6 shows another type of calibration device 51 which comprises two electric lamps 52 and 53 which are both located within the field of view of the lens system 12 of the unit 20 of Fig. 1 and which are alternately supplied with alternating current to thereby produce an apparent movement of the illuminated area within the field of view of the lens system 12 in order to calibrate the device or to test the response of the motion detector 20 to such an apparent movement of an illuminated area.
In all of the forms of the invention described, the differential or dual signal type discussed for responding to movement of the object results in high persistence of the system following the moving object and increased ability to keep up with the object and to lose the object regardless to avoid changes in the external working conditions that would adversely affect other systems