CH665910A5

CH665910A5 - Vorrichtung zum beruehrungslosen erfassen von bewegungsgroessen eines bewegten objekts.

Info

Publication number: CH665910A5
Application number: CH6600/82A
Authority: CH
Inventors: Urs Peter Studer
Original assignee: Zumbach Electronic Ag
Priority date: 1982-11-12
Filing date: 1982-11-12
Publication date: 1988-06-15
Also published as: IT1169688B; JPS59100864A; FR2536174B1; IT8323642A1; GB8329971D0; FR2536174A1; GB2130453B; US4616931A; JPH0530214B2; GB2130453A; CA1246184A; DE3340924C2; DE3340924A1; IT8323642A0; BE898152A

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Bewegungsgrössen eines bewegten Objekts, mit einer Optik zur Abbildung des Objekts auf ein Gitter oder eine Reihe optoelektrischer Wandler, wobei mindestens eine Gruppe von Wandlern zur Erzeugung eines gemeinsamen Mess-Signals zusammengeschaltet sind, und mit einer Schaltung zur Auswertung des Mess-Signals.

Vorrichtungen für diesen Zweck sind bekannt, wobei im allgemeinen verhältnismässig aufwendige optische Systeme mit feststehenden und beweglichen Gittern und Prismenrastern erforderlich sind. Trotzdem erlauben die bekannten Systeme nur eine relativ genaue Geschwindigkeitsmessung nicht aber eine Aussage über die Richtung der erfassten Bewegung und infolgedessen über den vom Objekt zurückgelegten Weg, sofern die Bewegung nicht in der gleichen Richtung erfolgt.

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, die nicht nur mit einfachen optischen Mitteln die Bewegung eines Objekts zu erfassen gestattet, sondern die auch die Bewegungsrichtung zu erfassen und damit für viele Fälle genügend genaue Angaben über den vom Objekt zurückgelegten Weg erlaubt. Dieses Ziel wird erreicht durch die Vorrichtung gemäss Anspruch 1. Vorzugsweise werden Gruppen von je vier Wandlern für jede zu erfassende Bewegungskomponente vorgesehen, von welchen Wandlern phasenverschobene Signale abgeleitet werden, aus welchen sich die Bewegung nach Grösse und Richtung ableiten lässt.

Als Wandler kann vorzugsweise eine Reihe oder Matrix von Photodioden, im folgenden kurz Dioden genannt, vorgesehen sein, wobei die Dioden entsprechender Stellung in jeder Gruppe parallel geschaltet sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel und eine Ausführungsvariante zeigt, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die generelle Anordnung der Messvorrichtung,

Fig. 2 zeigt eine Diodenreihe als opto-elektrischen Wandler für eine Bewegungskomponente,

Fig. 3 zeigt die Schaltung des Wandlers mit Vorverstärkern, Fig. 4 zeigt den Verlauf verschiedener Signale in Funktion der Bewegung eines Lichtfleckes längs des Wandlers,

Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Bildung von Summen und Differenzen von Wandlersignalen,

Fig. 6 zeigt eine logische Schaltung zur Bestimmung der auf die Bewegungsrichtung bezogenen Signale,

Fig. 7 zeigt Eingangs- und Ausgangssignale der Schaltung nach Fig. 6 und

Fig. 8 zeigt schematisch einen Wandler zur Erfassung zweier Bewegungskomponenten.

Fig. 1 zeigt wie ein flaches Objekt 1 das in der Ebene XY beweglich ist, durch eine schematisch dargestellte Optik 2 auf einen opto-elektronischen Wandler 3 abgebildet wird. Da Bewegungen des Objekts 1 in beiden Richtungen XY erfasst werden sollen, ist der in Fig. 1 dargestellte Wandler 3 als quadratische Diodenmatrix der in Fig. 8 angedeuteten Art ausgebildet. Diese Matrix ist in Fig. 1 quasi auf das Objekt 1 abgebildet dargestellt. Die Dioden sind in quadratischen Gruppen von je 16 Dioden zusammengefasst. Es wird später noch kurz darauf eingetreten wie eine Geschwindigkeitsmessung oder Wegmessung in zwei Richtungskomponenten erfolgen kann.

Zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung wird jedoch vorderhand anhand der Figuren 2 bis 7 ein einfacheres Beispiel zur Erfassung der Geschwindigkeit bzw. des Wegs eines Objekts in einer Richtung erläutert. Die Messvorrichtung ist gleich aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1 doch tritt anstelle der Diodenmatrix 3 eine Diodenreihe 3a gemäss Fig. 2. Diese Diodenreihe liegt parallel zu der zu erfassenden Richtung, beispielsweise der Richtung X, d.h., Bildpunkte des sich vor der Optik 2 bewegenden Objekts 1 wandern in Längsrichtung über die Diodenreihe. Bildpunkte unterschiedlicher Helligkeit verursachen damit in den Dioden variable Signale, wobei je ein Punkt bzw. Signal mit der Geschwindigkeit des Objekts proportionaler Geschwindigkeit über die Diodenreihe läuft. Es treten damit in an sich bekannter Weise Züge periodischer Signale auf, deren Frequenz der Geschwindigkeit des Objekts proportional und der Breite je einer Diode umgekehrt proportional ist. Wie in Fig. 2 angedeutet und in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Di5

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oden der Reihe je in Gruppen von vier aufeinanderfolgenden Dioden A, B, C, D geschaltet, wobei alle Dioden A, alle Dioden B, alle Dioden C und alle Dioden D je parallel geschaltet sind. Es entstehen damit vier Ausgänge A, B, C, D, die je einen Operationsverstärker 4 enthalten. Die Ausgänge nach Fig. 3 sind gemäss Fig. 5 mit Additions- und Subtraktionsschaltungen verbunden von welchen nur eine dargestellt ist. Aufbau und Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 5 sind ohne weiteres ersichtlich und sollen hier nicht näher erläutert werden. Am Ausgang I tritt das Signal I wie folgt auf:

I = (A + B)~(C + D)

Eine zweite identische Schaltung, an deren Eingänge die Signale in der Reihenfolge B, C, A, D angelegt sind, liefert folgendes Signal:

II = (B + C) - (A+D).

Es werden also im einen Kanal je die Signale der zwei ersten Dioden A und B addiert, und es wird die Differenz zur Summe der Signale der beiden letzten Dioden C und D je einer Gruppe gebildet. Betrachtet man den Durchlauf eines Bildpunktes bzw. eines Lichtflecks oder Schattenflecks über eine Gruppe von Dioden A - D als Periode von 360° oder 2 n ist ohne weiters erkennbar, dass dann die Signale A+B und C + D in Gegenphase liegen. Aus der Differenz dieser Signale werden Komponenten wie z.B. die mittlere Hellighkeit des betrachteten Objektsausschnitts, welche nicht infolge des Durchlaufs von Bildpunkten herrühren, eliminiert. Man gewinnt damit ein Signal, welches nur die der zu erfassenden Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Frequenz aufweist. Dasselbe gilt für das Signal II, welches jedoch bezogen auf die oben erwähnte Periode um 90°C bzw. n/2 verschoben ist. In Fig. 4 sind diese Verhältnisse veranschaulicht, wobei in Fig. 4 oben in vertikaler Richtung die Durchlaufzeit eines Bildpunktes bzw. die Längsrichtung der Diodenreihe aufgetragen ist, während in horizontaler Richtung verschiedene Position eines über die Diodenreihe wandernden Lichtpunktes 5 aufgezeichnet ist. Es leuchtet ein, dass für die erste Position des Lichtpunktes links unten das Signal A + B maximal, das Signal C+D minimal, das Signal B + C auf einem Mittelwert und das Signal A + D ebenfalls auf einem Mittelwert ist. Für die zweite Position von links des Bild- oder Lichtpunktes befinden sich die Signale A + B und C + D auf einem Mittelwert, während das Signal B + C einen Maximalwert und das Signal A + D einen Minimalwert aufweist. Es ist leicht einzusehen, dass damit die vier soeben erwähnten Signale je einen periodischen Verlauf haben, jedoch phasenverschoben sind. Je die Signale A + B und C + D sowie die Signale B + C und A + D sind gegenphasig. Die Subtraktion dieser gegenphasigen Signale ergibt Signale gleicher Frequenz und doppelter Amplitude, wobei die oben erwähnten Störsignale eliminiert sind. Allerdings sind zur Vereinfachung der Darstellung diese Störsignale auch die den Signalen A + B, C + D, B + C und A+D nicht dargestellt.

Man erhält also an den Ausgängen I und II der Schaltungen nach Fig. 5 die in Fig. 7 dargestellten phasenverschobenen Signale, die ebenfalls mit I und II bezeichnet sind. Diese Signale werden den Eingängen der logischen Schaltung nach Fig. 6 zugeführt. Da alle Schaltelemente dieser Schaltung klar dargestellt sind, erübrigt sich eine Beschreibung dieser Schaltung und ihrer Funktion. Es sei lediglich erwähnt, dass die UND-Tore 6 und 7

mit den jeweiligen RC-Eingängen und dem Inverter 8 jeweils anschliessend an eine aufsteigende Flanke des Signals II bzw. anschliessend an eine absteigende Flanke des Signals II einen Ausgangsimpuls relativ kurzer Dauer bis zur Entladung des Kondensators C abgeben, welcher mit der übrigen Logik darüber entscheidet, ob am Ausgang 9 oder am Ausgang 10 eine Impulsserie gemäss Fig. 7 erscheint. Die Vorzeichen « + » und «-» an den Ausgängen 9 und 10 deuten an, dass eine Impulsserie am Ausgang 9 Vorwärtslauf, eine Impulsserie am Ausgang

10 Rückwärtslauf anzeigt. Die beiden um eine Viertelperiode verschobenen Signale I und II gestatten die Unterscheidung zwischen Vor- und Rücklauf durch die logische Schaltung nach Fig. 6, indem bei Vorlauf ( + ) Impulse bei absteigendem Signal

11 und tiefem Signal I sowie bei aufsteigendem Signal II und hohem Signal I auftreten. Bei Rücklauf (-) treten demgegenüber Impulse bei aufsteigendem Signal II und tiefem Signal I und bei absteigendem Signal II und hohem Signal I auf. Wie erwähnt treten somit bei einer bestimmten Bewegungsrichtung nur an einem Ausgang 9 oder 10 Impulse auf, und diese Impulse zeigen nicht nur die Bewegungsrichtung durch ihr Vorhandensein, sondern auch die Geschwindigkeit durch ihre Frequenz an. In einem nichtdargestellten Vor- und Rückwärtszähler können die am Ausgang 9 erscheinenden Impulse addiert und die am Ausgang 10 erscheinenden Impulse subtrahiert werden, so dass der Zählerstand eine Aussage über den gesamten Weg des Objekts erlaubt. In einer weiteren, nichtdargestellten und an sich bekannten Schaltung kann aus der jeweiligen Impulsfrequenz sei es eines Signals I oder II, sei es aus einem Signal an einem der Ausgänge 9 oder 10 auf die momentane Geschwindigkeit des Objekts geschlossen werden. Es ist also möglich, die Bewegung des Objekts nach Richtung und Grösse zu erfassen, wobei unter Grösse sowohl die momentane Geschwindigkeit als auch die von einem bestimmten Zeitpunkt an erfolgte totale Verschiebung oder der Weg verstanden werden kann. Es können natürlich auch Mittelwerte zur Erfassung einer mittleren Geschwindigkeit gebildet werden.

Während in Fig. 2 zur drei Gruppen von je vier Photodioden dargestellt sind, werden praktisch wesentüch längere Diodenreihen verwendet, die entsprechend in Vierergruppen geschaltet sind.

Zur Ausführungsform nach Fig. 8 mit Diodenmatrix sei lediglich erwähnt, dass die dort jeweils mit gleichen Nummern bezeichneten Dioden zusammengeschaltet sind. Gemäss dem Obenstehenden werden dann sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung entsprechende phasenverschobene Bereiche ausgewertet, um phasenverschobene Signale Ix und IIX bzw. Iy und IIy zu erhalten, anhand welcher beide Bewegungskomponenten nach Grösse und Richtung erfasst werden können. Rechnerisch heisst dies:

Ix = [(11 + 21+31+41) + (12 + 22 + 32 + 42)] -[(13 + 23 + 33+43) + (14 + 24 + 34 + 44)]

IIX = [(12 + 22 + 32 + 42) + (13 + 23 + 33 + 43)] -[(11+21 + 31+41) + (14 + 24 + 34 + 44)]

Iy = [(11 + 12+13 + 14) + (21+22 + 23+24)]-[(31 + 32 + 33 + 34) + (41 + 42 + 43 + 44)]

IIy = [(21+22 + 23 + 24) + (31+32 + 33 + 34)] -[(11 +12+13 +14) + (41+42 + 43 + 44)]

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Bewe-gungsgrössen eines bewegten Objekts (1), mit einer Optik (2) zur Abbildung des Objekts auf ein Gitter (3) oder eine Reihe (3a) optoelektrischer Wandler (3), wobei mindestens eine Gruppe von Wandlern zur Erzeugung eines gemeinsamen Mess-Signals zusammengeschaltet sind, und mit einer Schaltung zur Auswertung des Mess-Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler 63) gruppenweise derart zusammengeschaltet sind, dass für jede zu erfassende Bewegungsrichtung mindestens zwei periodische, phasenverschobene Mess-Signale auftreten, und dass die Schaltung zur Auswertung dieser Mess-Signale Mittel zum Erfassen des Betrages der Geschwindigkeit der Bewegung aus der Frequenz der Mess-Signale und Mittel zum Erfassen der bewegungsrichtung aus der Phasenlage der Mess-Signale aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung Mittel aufweist, um aus der Frequenz und Phasenlage der Mess-Signale bzw. aus dem Betrag der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung auf den Weg des Objekts zu schliessen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle vorhandenen Wandler (A, B, C, D) zur Gewinnung beider Mess-Signale je verschieden zusammengeschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit Gruppen von vier Wandlern (A, B, C, D), die zur Bildung von Mess-Signalen

I = (A + B) - (C + D) und II = (B + C) - (D + A)

zusammengeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wandler Photodioden (A, B, C, D) vorgesehen sind, die in mehreren Gruppen, von je vier angeordnet sind, wobei alle je in einer Gruppe an derselben Stelle Hegenden Photodioden parallelgeschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Signale zu Rechtecksignalen formbar und einer Logik (Fig. 6) zuführbar sind, welche an zwei Ausgängen je eine Bewegungsrichtung anzeigt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik zur Erfassung der Bewegungsrichtung einen Zähler steuert, welcher durch richtungsabhängiges Auszählen von Impulsen eine Wegmessung vornimmt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Matrix von Wandlern (3), dadurch gekennzeichnet, dass in entsprechenden Zeilen jeder Gruppe angeordnete Wandler (11, 12, 13, 14, ... 41, 42, 43, 44) bzw. in entsprechenden Kolonnen angeordnete Wandler (11, 21, 31, 41, ... 14, 24, 34, 44) je miteinander verbunden sind, wobei die Ausgangssignale aus Zeilen von Wandlern zur Erfassung der Bewegungsgrössen in einer Koordinatenrichtung und die Ausgangssignale aus Kolonnen von Wandlern zur Erfassung der Bewegungsgrössen in einer anderen Korrdinatenrichtung dienen.