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Einrichtung zum visuellen und lichtelektrischen Bestimmen der relativen
Verschiebung zweier Objekte Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum
visuellen und lichtelektrischen Bestimmen der relativen Verschiebung zweier Objekte,
bei der dem einen Objekt ein Maßstab und dem anderen eine Projektionsoptik mit Abbildungsschirm
und einer bestimmten Anzahl lichtelektrischer Abtastzellen zugeordnet ist und bei
dem die Projektionsoptik den Maßstab vergrößert und zugleich die Maßstabmarken auf
dem Abbildungsschirm und auf den lichtelektrischen, in regelmäßigen Abständen auf
einem Träger angeordneten Zellen abbildet.
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Es ist eine Einrichtung dieser Art für selbstanzeigende Waagen mit
beweglicher Skala zur Gewichtsangabe in bezug auf einen stillstehenden Waagenteil
bekannt. Ihre Besonderheit besteht darin, daß sie neben der visuellen Gewichtsanzeige
auch zur selbsttätigen Anzeige oder Registrierung der Geschwindigkeit von sehr langsamen
Gewichtsänderungen eingerichtet ist. Eine Vergleichsmöglichkeit der visuellen Skalenablesung
mit dem Ergebnis der lichtelektrischen Skalaabtastung besitzt sie aber nachteiligerweise
nicht und auch keine Möglichkeit einer Ausgangspunktjustierung dieser beiden Anzeigen
zueinander in Form eines verschiebbaren Zellenträgers.
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Eine Anpassung der Maßstabmarken an die Erfordernisse einer möglichst
zuverlässigen Abtastung durch besondere Gestaltung der Maßstabmarken oder eines
paarweisen Zusammenarbeitens der lichtelektrischen Zellen ist darin nicht vorgesehen.
Für die Anwendung als Meßvorrichtung zum Bestimmen der relativen Verschiebung zweier
Objekte sind diese Eigenschaften jedoch sehr erwünscht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der Einrichtung
die genannten Eigenschaften zu verleihen. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß
durch die Kombination der Merkmale, die darin bestehen, daß auf dem Träger eine
der Unterteilung eines Intervalls der Grobteilung des Maßstabes auf dem Bildschirm
entsprechende gegerade Anzahl lichtelektrischer Zellen zur Feinteilung angeordnet
sind, daß der Träger mit den Zellen relativ zum Bildschirm in Verschieberichtung
der abgebildeten Maßstabmarken verschiebbar geführt ist und daß die Maßstabmarken
über den Bildschirm in den Bereich der Zellen hinausreichend verlängert sind und
an den Verlängerungen als Streifen eine Breite, die dem Ausmaß der Intervallunterteilung
durch eine der Zellen entspricht, aufweisen und daß in an sich bekannter Weise zwei
einander zugeordnete, die Lage der Maßstabmarken durch Symmetrieabgleich im Zustand
gleich starker Beeinflussung durch einen solchen Streifen definierende Zellen an
eine elektrische Vergleichsschaltung geschaltet sind.
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Die solchermaßen gekennzeichnete Lösung vermeidet die Nachteile der
bekannten Einrichtung. Die erzielbaren Vorteile gehen aus der Kombination der Merkmale
hervor, von denen die Möglichkeit der gegenseitigen Kontrolle der lichtelektrischen
Auswertung mit der visuellen an vorderster Stelle steht.
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Voraussetzung dafür ist jedoch die Verschiebbarkeit des Zellenträgers
zur Justierung beider Anzeigen. Es können infolgedessen, wenn die Unterteilung eines
Intervalls der Teilungsmarken beider Arten übereinstimmt, allfällige Fehlablesungen
oder Fehlregistrierungen der Impulse am Ausgang der Vergleichsschaltung aufgedeckt
werden. Durch die geradzahlige Anordnung der Zellen ist es ferner möglich, die Zellen
paarweise zu beleuchten und ihre Foto ströme in bekanntermaßen wirkungsvollster
Weise in der vorgesehenen Vergleichsschaltung einander gegenüberzustellen.
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Ein weiterer Vorteil, der mit zum technischen Fortschritt der Erfindung
beiträgt, liegt in einer wesentlich besseren Lichtausbeute, indem auf den Zel-
len
nicht Maßstabmarken in Form von Linien oder schmalen Streifen, sondern breite Streifen
einer von der Skala für die visuelle Ablesung gesonderten Skala im Ausmaß der Intervallunterteilung
abgebildet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschließend erläutert
und in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt
durch eine optische Ableseeinrichtung mit eingebauter Signaleinrichtung, Fig. 2
das Projektionsbild auf der Mattscheibe der optischen Ableseeinrichtung zusammen
mit der Anordnung der lichtelektrischen Zellen, welche gruppenweise auf zwei Linien
verteilt sind, Fig.3 eine vergrößerte Ansicht der Anordnung in einem Teilungsintervall
mit Schattenstreifen der Teilstriche und einer Feineinstellvorrichtung für den Diodenträger,
F i g. 4 eine Variante zu F i g. 3 mit Lichtstreifen als Abbildung der Teilstriche,
Fig. 5 eine Variante zu Fig. 3 oder 4 mit Verteilung der Dioden auf ihrem Träger
über mehrere Teilungsintervalle, F i g. 6 eine gegenüber Fig.3 nochmals vergrößerte
Ansicht der Größenverhältnisse in einem Unterteilungsintervall, F i g. 7 ein Schaltschema
für eine Einrichtung gemäß F i g. 3 mit einer Brückenschaltung und in Reihe geschalteten
Photodioden innerhalb einer Gruppe und eines Brückenzweiges zur Beeinflussung mit
Schattenstreifen, F i g. 8 eine Brückenschaltung wie F i g. 7, aber mit parallelgeschalteten
Foto dioden innerhalb einer Gruppe und eines Brückenzweiges zur Beeinflussung mit
Lichtstreifen gemäß F i g. 4, Fig.9 den Verlauf der Signalspannung an den Ausgangsklemmen
der Brückenschaltung, Fig. 10 die aus den Nulldurchgängen der Signalspannung abgeleiteten
Signalimpulse.
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Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte optische Ableseeinrichtung
ist in einem Maschinenteil 1 eingebaut, der gegenüber einem feststehenden Maschinenteil
2 senkrecht zur Darstellungsebene verschiebbar ist, bzw. es kommt nur auf die relative
Verschiebung an, d. h. Teil 1 könnte z. B. feststehend sein und dafür Teil 2 verschiebbar.
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Diese Ablesevorrichtung dient dazu, die Verschiebung des Maschinenteiles
1 gegenüber dem feststehenden Maschinenteil 2 mittels eines optischen Maßstabes
3 zu messen. Der optische Maßstab 3 enthält zu diesem Zweck eine Teilung 4. In einer
Aussparung des feststehenden Maschinenteiles2 ist ein Glasstab 3 befestigt, dessen
trapezförmiger Querschnitt in Fig. 1 zu erkennen ist und dessen Länge sich in Richtung
senkrecht zur Darstellungsebene erstreckt. Seine abgeschrägten Schmalseiten 5 und
6 stehen unter einem Winkel von 450 zu den beiden parallelen Seiten 7 und 8 des
Trapezes. Der Glasstab 3 ist als Träger einer Maßstabteilung 4 vorgesehen, deren
Teilstriche 20 in der erfindungsgemäßen Art ausgeführt und aus den Fig. 2 bis 5
ersichtlich sind.
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Im verschiebbaren Maschinenteil 1 ist eine Lichtquelle 9 befestigt.
Ihr vorgelagert befindet sich eine Kondensatoroptik 10 auf Höhe der Schmalseite
5 des Glasstabes. Auf Höhe der Schmalseite 6 sind im verschiebbaren Maschinenteil
1 eine Projektionsoptik 11 und eine Mattscheibe 12 im Strahlengang
13 angeordnet.
Ferner ist ein Ableserasterl2a auf der der Projektionsoptik 11 zugewendeten, matten
Seite der Mattscheibe 12 aufgetragen. Der Mattscheibe 12 ist schließlich eine Betrachtungslinse
14 nachgeschaltet. In der Ebene der Mattscheibe 12 befindet sich, ebenfalls in dem
von der Lichtquelle 9 ausgehenden, an den Schmalseiten 5 und 6 abgelenkten, d. h.
total reflektierten und von der Projektionsoptik 11 erfaßten Strahlengang 13 ein
einstellbarer Träger 15 und 15 a, welcher lichtelektrische Zellen 16 und 17 enthält,
z. B. Fotodioden, die ihrerseits mit einem elektrischen Teil 19 der Einrichtung
verbunden sind.
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Das beim Blick durch die Betrachtungslinse 14 sichtbare Bild ist
in F i g. 2 wiedergegeben. Man sieht auf der Mattscheibel2 einen Ableseraster 12
a bekannter Art mit orthogonaler, dekadischer Feldeinteilung, was durch die Randziffern
0 bis 9 zum Ausdruck kommt. Darüber projiziert erscheint als feine, senkrechte Linie
beispielsweise der 213. Teilstrich20 der Teilung 4 des Glasmaßstabes 3. Seine Nachbarstriche
212 und 214 liegen dabei noch außerhalb des Bildfensters und sind deshalb verdeckt.
Die in Fig.2 abzulesende Lage des Maschinenteilesl ergibt das genaue Maß von 213,60
(beispielsweise).
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Die Teilstriche 20 sind also im Bereich des Bildfensters durch eine
feine Linie dargestellt, während ihre Fortsetzung 20 a in den darunterliegenden,
im Bildfenster nicht sichtbaren Bereich der lichtelektrischen Zellen 16 und 17 eine
erfindungsgemäß vorgeschriebene Breite aufweist. Dieser untere, breite Teil 20 a
der Teilstriche 20 kann entweder, wie Fig.3 zeigt, als dunkler Schattenstreifen
in heller Umgebung oder wie in F i g. 4 als heller Lichtstreifen in dunkler Umgebung
abgebildet werden. Der Träger 15 ist in F i g. 3 und 4 vergrößert dargestellt.
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Er enthält, in zwei Reihen angeordnet, z. B. je fünf lichtelektrische
Zellen 16a bis 16e und 17a bis 17e, von denen der Zeichnung gemäß z. B. gerade die
Zellen 16d und 17d beeinflußt werden. In Fig.3 ist der Träger 15 beispielsweise
ergänzt durch eine Einrichtung 21 zur Feineinstellung der Signaleinrichtung gegenüber
dem visuellen Ablesesystem, beispielsweise zur Einstellung der Koinzidenz oder zusätzlicher
Korrekturen. Außerdem können die Fotozellen auf mehrere Teilungsintervalle verteilt
im Träger angeordnet sein, so wie dies F i g. 5 in einem Beispiel zeigt. Hier sind
die Zellenl7a bis 17e in das benachbarte Teilungsintervall rechts versetzt worden.
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In Fig.6 sind die Größenverhältnisse der zueinander in Funktion stehenden
Abmessungen ersichtlich. Das Unterteilungsintervall UT ist von der gleichen Breite
wie das Projektionsbild des verbreiterten Teiles 20 a eines Teilstriches 20 und
die lichtempfindliche Fläche der Fotozelle 16 oder 17, von welcher im Schnitt der
Glasmantel 18 zu erkennen ist.
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Fig. 7 zeigt das Schema des zur Einrichtung gehörenden Verstärkers,
wie er einer Ausführung der Maßstabstriche 20a als Schattenstreifen gemäß Fig. 3
zuzuordnen ist. Die Fotozellen 16a bis 16e und 17a bis 17e liegen mit den Widerständen
22 und 23 in einer Brückenschaltung. Die Brücke wird über die Leitungen 24 und 25
gespeist und über die Leitungen 26 und 27 abgegriffen. Die Basen der Transistoren
28 und 29 liegen an den Leitungen 26 und 27. Die Emitter E liegen an der positiven
Spannung,
während die Kollektoren K über die Widerstände 30 und
31 an der negativen Speisespannung liegen, andererseits stehen sie mit den Ausgangsklemmen
32 und 33 der Einrichtung in Verbindung.
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F i g. 8 zeigt das Schema der Brückenschaltung des Verstärkers, wenn
die Teilstriche 20 a gemäß Fig.4 als Lichtstreifen abgebildet sind. In diesem Fall
liegen die Fotozellen in Parallelschaltung in je einem Brückenzweig.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung der vorliegenden Erfindung sei
am Beispiel einer an sich bekannten optischen Meßeinrichtung erklärt, welche im
metrischen System arbeitet. Die optische Einrichtung projiziert ein reelles, scharfes
Bild der Maßstabteilung in einem fest eingestellten Vergrößerungsverhältnis auf
die Mattscheibe 12. Durch die Betrachtungslinse 14 gesehen, kommt der Teilstrich
20 an eine bestimmte Stelle des Rasterfeldes 12 a zu liegen, so daß die Position
des verschiebbaren Maschinenteiles 1 auf den Zehntelmillimeter an der horizontalen
Randzifferreihe und auf den Hundertstelmillimeter mit Hilfe der vertikalen Randziffernreihe
abzulesen ist. Gleichzeitig wird nun der verbreiterte Teil 20 a des Teilstriches
20 auf den sich in der Ebene der Mattscheibe 12 befindlichen Fotodioden abgebildet.
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Die Aufgabe dieser Fotodioden ist es, beim Durchgang des Abbildes
eines verbreiterten Teiles 20 a eines Teilstriches 20 elektrische Signale zu erzeugen,
und zwar in der Weise, daß der Teilungsabstand des Maßstabes unterteilt wird. Im
vorliegenden Beispiel ist eine Unterteilung in zehn Teile vorgesehen, so daß bei
einem Teilstrichabstand von 1 mm auf dem Maßstab eine Auflösung von t/ro mm erreicht
wird.
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Zu diesem Zweck sind in dem von den verbreiterten Teilen 20a der Teilstriche
20 bestrichenen Feld des Trägers 15 zehn Fotodioden derart angeordnet, daß der Abstand
der Dioden voneinander unter Berücksichtigung der optischen Vergrößerungen auf den
Maßstab reduziert t/o mm entspricht. Beispielsweise sind je fünf Fotodioden einer
Reihe in einen Zweig der Brücke bzw. des Gegentaktverstärkers eingeordnet, und zwar
so, daß der Schatten oder das Lichtband des Teilstriches 20a jeweils abwechselnd
nacheinander eine Fotodiode des einen Brückenzweiges und dann eine Fotodiode des
anderen Brückenzweiges beeinflußt (s. F i g. 3 und 4).
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Bevor auf die Gestalt des aus dieser Anordnung resultierenden Signals
eingegangen wird, sei zunächst an Hand von Fig. 7 und 8 die Wirkungsweise des Gegentaktverstärkers
erklärt.
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Wenn der Transistor 28 sperrt, ist der Kollektor K und mithin die
Ausgangsklemme 32 negativ gegenüber der positiven Speiseleitung 24. Wenn der Transistor
28 leitet, fließt ein Strom über den Widerstand 30, und die Spannungsdifferenz zwischen
Ausgangsklemme 32 und positiver Spannung wird kleiner. Der Transistor 28 wird durch
die in Reihe geschalteten, an der Basis liegenden Fotodioden 16 a bis 16 e gesteuert
in der Weise, daß der Transistor 28 leitet, wenn die Dioden leitend sind. Hingegen
sperrt der Transistor 28, wenn mindestens eine der in Reihe liegenden Dioden 16a
bis 16e sperrt. Ferner ändert der Transistor 28 seinen Widerstand zwischen Kollektor
K und Emitter E in Abhängigkeit von dem über die Basis fließenden Strom, so daß
die Spannung an der Ausgangsklemme 32 der Kennlinie des Transistors 28 folgt.
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Das gleiche gilt sinngemäß für die andere Seite des Verstärkers mit
Transistor 29.
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Wenn die über die Transistoren 28 und 29 fließenden Ströme gleich
groß sind, wird die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen 32 und 33 null.
Beispielsweise könnte dies der Fall sein, wenn die Fotodioden beider Seiten voll
beleuchtet werden.
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Dieser Fall kann nicht eintreten, da stets der Schatten oder Lichtstreifen
eines Teilstriches im Bereich der Dioden steht. Die Spannung u an den Ausgangsklemmen
32 und 33 wird ebenfalls null, wenn der Schatten oder der Lichtstreifen eines Teilstriches
zu gleichen Teilen auf je eine Fotodiode beider Seiten des Verstärkers fällt. Verfolgt
man den Verlauf der Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 32 und 33 während des
Weges s eines Teilstriches durch den Bereich aller zehn Dioden, so erhält man einen
Spannungsverlauf34 nach Fig.9. Dabei bedeutet jeder Nulldurchgang 35 das Einfangen
des Schattens oder Lichtstreifens eines Teilstriches auf der Mitte zwischen zwei
benachbarten Fotodioden. Die nach F i g. 9 verlaufende Ausgangsspannung 34 wird
anschließend in hier nicht näher ausgeführter Art weiterverarbeitet, indem in bekannter
Weise durch einen Impulsgenerator bei jedem Durchgang 35 der Ausgangsspannung durch
die Null-Linie ein Impuls 36 mit der Amplitude A gebildet wird (s. F i g. 10).
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Durch die optische Vergrößerung und die elektrische Verstärkung der
Impulse bzw. der Signale kann eine sehr hohe Genauigkeit erzielt werden.
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Diese Signale können z. B. vermittels Zähler zur Fernanzeige der Position
des beweglichen Maschinenteiles 1 oder zur Steuerung seines Antriebes verwendet
werden. Ferner kann auch durch das Aufzählen der Signale beim Erreichen einer vorgewählten
Zahl ein bestimmter Vorgang ausgelöst werden.
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Die Anwendung dieser Signaleinrichtung erstreckt sich nicht nur auf
das Messen von Längen. Sie kann sich ebensogut auf Bogenskalen für Winkelteilungen,
auf Teilungen von Kreisringskalen usw. beziehen.
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Die vorstehend beschriebene Einrichtung stellt gegenüber den bekannten
Anordnungen dieser Art einen wesentlichen Fortschritt dar. Sie besitzt unter anderem
folgende Vorteile: Durch Kombination der Einrichtung mit einer bereits vorhandenen
optischen Ableseeinrichtung ist jederzeit eine visuelle Überwachung der Anlage möglich,
ohne daß hierfür besondere Mittel vorgesehen werden müßten.
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Durch die in der Einrichtung bewirkte Unterteilung des Teilungsintervalls
kann der Maßstab mit relativ grober Teilung, d. h. mit der für die Ableseoptik erforderlichen
Teilung ausgeführt werden, was die Kosten des Maßstabes günstig beeinflußt.
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Durch die Verlegung der Einrichtung in die Projektionsebene der Ableseoptik,
d. h. in den Bereich optischer Vergrößerung, wird erreicht, daß trotz hoher Arbeitsgenauigkeit
an die Fertigungsgenauigkeit der in der Einrichtung verwendeten Teile keine hohen
Anforderungen zu stellen sind.
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Die beschriebene Anordnung der Fotodioden in einer Brückenschaltung
führt den Aufwand an Elektronik auf ein Minimum zurück und gewährleistet dazu die
bekannten Vorteile der Brückenschaltung, hier besonders die präzise Lagemessung
des Teilstriches durch Einfangen zwischen zwei Fotodioden.
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Die Erfindung ermöglicht es, die zitierten Vorteile bei geringstem
Aufwand in einem Gerät zu vereinigen.
Wenn auch ein wesentlicher
Vorteil der Erfindung in der Kombination von visueller Ablesung und lichtelektrischer
Meßeinrichtung liegt, so ist eine Anwendung der beschriebenen Einrichtung ohne visuelle
Ablesung nicht ausgeschlossen.