DE1523246B2

DE1523246B2 - Meß vorrichtung für die Drehzahl und Winkelstellung einer Welle

Info

Publication number: DE1523246B2
Application number: DE1523246A
Authority: DE
Inventors: Daniel H. Nanuet New York N.Y. Marcus (V.St.A.)
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1964-05-14
Filing date: 1966-05-05
Publication date: 1974-09-19
Also published as: DE1523246A1; DE1523231A1; US3454777A; GB1106006A; DE1523231B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung für die Drehzahl und Winkelstellung einer Welle unter Verwendung einer auf die Welle aufgesetzten Strichscheibe, einer den Strichen gegenüberliegenden Lichtquelle, einer im Lichtweg auf der anderen Seite der Strichscheibe angeordneten Linse, einem im Lichtweg hinter der Linse liegenden Strahlteiler und in den beiden Lichtwegen hinter dem Strahlteiler jeweils liegenden Strichplatte mit nachfolgender Photozelle nach Patentanmeldung P 15 23 231.2-52.

Bei einer solchen Meßvorrichtung ist vorgesehen, daß im Lichtweg zwischen Linse und Platte ein Strahlteiler liegt, der einen Teil des Lichtes zur Strichplatte durchläßt und einen anderen Teil des Lichtes auf eine zweite Strichplatte ablenkt, die im Lichtweg des abgelenkten Lichtes liegt, und hinter welcher eine zweite Photozelle angeordnet ist, und wobei die beiden Platten derart verstellbar sind, daß die gewünschte Phasenbeziehung zwischen den Ausgangsgrößen der Photozellen erzeugt wird. Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der genannten Patentanmeldung kann dabei vorgesehen sein, daß der Strahlteiler durch zwei aufeinanderliegende und eine Reflexionsschicht bildende Prismen oder durch einen rotierenden Spiegel gebildet ist.

ίο Bei der erwähnten Meßvorrichtung werden die durch die Photozellen erzeugten Signale einer Anzeigevorrichtung zugeführt, wobei aber die in den Signalen enthaltene Gleichspannungskomponente unerwünscht ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßvorrichtung der obengenannten Art die störenden Gleichspannungskompor nenten der Signale auszulöschen.

Die Auslöschung von unerwünschten Gleichspan-

ao nungskomponenten bei Meßgeräten ist bereits bekannt, und es kann zu diesem Zweck beispielsweise ein Wechselspannungsfilter verwendet werden, welches eine niedrige Sperrfrequenz besitzt Ferner kann bei Bildgeschwindigkeitsabfühlvorrichtungen für Flugzeug-

a5 kamerasteuersysteme vorgesehen sein, daß zwei parallele Schlitze aufweisende Fadennetze verwendet werden, wovon jedes ein Linsensystem sowie eine Photozelle besitzt (Journal of the Optical Society of America, Dez. 1963, S. 1416 bis 1422). Dabei kann wegen der großen Objektentfernungen angeommen werden, daß die beiden Fadennetze identische Bilder sehen. Im allgemeinen sind aber die beiden die Signale der Photozellen erzeugenden Lichtquellen nicht miteinander identisch, so daß die beiden voneinander zu subtrahierenden Gleichspannungswerte ebenfalls nicht identisch sind.

Durch die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Verbindung der beiden Photozellen mit zwei gleichen Polen und der weiterhin vorgenommenen Verbindung der beiden anderen Pole mit je einem Pol eines eine Anzeigevorrichtung speisenden Differentialverstärkers wird erreicht, daß in einfacher Weise eine ausgezeichnete Unterdrückung der Gleichspannungskomponenten erreicht wird.

Dabei ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß im Weg der beiden von dem Strahlteiler abgegebenen Lichtkomponenten je ein weiterer Strahlteiler angeordnet ist, und daß im Weg der beiden von dem ersten zusätzlichen Strahlteiler abgegebenen Lichtkomponenten eine erste und zweite ortsfeste Strichplatte und im Weg der beiden von dem zweiten zusätzlichen Strahlteiler abgegebenen Lichtkomponenten dritte und vierte ortsfeste Strichplatten stehen, wobei die zweite Strichplatte gegenüber der ersten Strichplatte und die vierte Strichplatte gegenüber der dritten Strichplatte um je eine Streifenbreite verschoben ist, und daß ferner die beiden Plattenpaare um je eine halbe Streifenbreite verschoben sind, und daß die Photozellen eines jeden Plattenpaares mit zwei gleichen Polen aneinander und mit den beiden anderen Polen an je einen Pol des Eingangs eines Verstärkers angeschlossen sind.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert; in der Zeichnung ist

F i g. 1 eine optisch-elektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 eine optisch-elektrische zwei um 90° verscho

bene Ausgangssignale liefernde Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des verwendeten Strahlteilers und

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung der drei den Strahlteiler bildenden Prismen.

Fi g. 1 zeigt eine Vorrichtung, bei der zwei Zwischensignale mit einem solchen gegenseitigen Phasenverhältnis gebildet werden, daß ihre Zusammenfassung ein Ausgangssignal ergibt, das keine Durchschnittsgleichspannungskomponente enthält. Wie bei allen Anzeigevorrichtungen dieser Art streut das von der Lichtquelle 53 kommende Licht so stark, daß auf dem Rand 52 der drehbaren Scheibe 50 keine Stelle vorhanden ist, die ein vollständiges Blockieren des Lichtdurchganges durch die Platten 54 oder 58 in Richtung auf die Photozellen 55 oder 59 zuläßt Es gibt eine Stelle auf der die dunklen und hellen Radialstreifen 52 aufweisenden Scheibe 50, die an einer der Photozellen 55 oder 59 ein Maximum an Spannung erzeugt, und eine andere Stelle, die an dieser Photozelle ein Minimum erzeugt. Bei Drehung der Scheibe 52 läuft das von jeder Photozelle erzeugte Spannungssignal sinusförmig zwischen diesem Minimum und Maximum. Diese Sinuswelle ist jedoch der Durchschnittsgleichspannungskomponente überlagert.

Das von der Lichtquelle 53 abgestrahlte Licht tritt durch den die Radialstreifen 52 aufweisenden Rand der Scheibe 50 durch und wird dann durch die Linse 56 auf die ortsfesten Platten 54 und 58 gerichtet. Ein Strahlteiler 57 bildet die beiden erforderlichen Signale. Die beiden abfragenden Platten 54 und 58 sind so aufeinander ausgerichtet, daß die auf die Photozellen 55 und 59 auftreffenden Sinuskomponenten der optischen Signale um 180° auseinanderliegen. Das heißt, daß bei einem Anstieg des Betrages des auf die Photozelle 59 auftreffenden optischen Signals der Betrag des auf die Photozelle 55 auftreffenden optischen Signals abnimmt. Die negativen Ausgangsklemmen der beiden Photozellen 55 und 59 sind über einen Widerstand R mit Masse verbunden. Die beiden positiven Ausgangsklemmen sind an die Eingänge eines Differentialverstärkers 63 angeschlossen. Auf diese Weise wird die Gleichspannungskomponente der von den Photozellen 55 und 59 abgegebenen beiden Signale am Verstärker 68 ausgelöscht und die Sinuskomponenten verdoppeln sich unter Bildung eines einzigen sinusförmigen Signals. Dieses sinusförmige Signal kann auf jede gewünschte Weise weiterverarbeitet werden.

Gemäß F i g. 1 sind die Photozellen 55 und 59 an einen Gleichspannungsverstärker 63 angeschlossen. Dies liegt daran, daß das spezielle Einsatzgebiet, für welches die Schaltung gemäß F i g. 1 bestimmt ist, zur Messung der Winkelstellung einer Welle gedacht ist. Eine exaktere Bezeichnung für den sich bewegenden Randstreifen 52 wäre daher beweglicher Randstreifen 52, da er seine Stellung während der Bestimmung der Wellenlage nicht verändert. Die Ausgangsspannungen der beiden Photozellen 55 und 59 sind demnach zwei Gleichspannungssignale, deren Beträge teilweise durch den durchschnittlichen Gleichspannungswert und teilweise durch die Punkte auf der Sinuskurve bestimmt werden, an denen die Platten 54 und 58 das von der Scheibe 52 kommende optische Signal abfragen. Da die beiden Platten 54 und 58 so eingestellt sind, daß sie das Signal mit einer Phasenverschiebung von 180° empfangen, sind die Ausgangsspannungen der beiden Photozellen 55 und 59 im allgemeinen dem Betrag nach verschieden. Bei einer Subtraktion dieser beiden Spannungen fällt die Durchschnittsgleichspannungskomponente heraus. Am Ausgang tritt aber trotzdem noch eine Gleichspannung auf, die das Doppelte der Gleichspannungskomponente in den Ausgangsspannungen der beiden Photozellen 55 und 59 darstellt Diese Gleichspannungskomponente ergibt sich aus dem Punkt auf der Sinuskurve, an dem das optische Signal abgefragt worden ist.

ίο F i g. 2 zeigt im Schnitt die auf einer Welle 71 befestigte drehbare Scheibe 70. Die Scheibe 70 weist nahe an ihrem Umfang Radialstreifen auf. Eine Lichtquelle 73 erzeugt einen einzigen Lichtstrahl, der durch die Radialstreifen der Scheibe 70 durchläuft und auf die Projektionslinse 76 auftrifft Dieser Strahl wird dann durch einen ersten Strahlteiler 77A in zwei Sekundärstrahlen aufgeteilt, von denen der eine so abgefragt wird, daß er schließlich einen Punkt auf der Sinuskurve darstellt während der zweite so abgefragt wird; daß er schließ-

ao lieh einen Punkt auf der Kosinuskurve darstellt Der erste Sekundärstrahl wird dann durch einen Strahlteiler 77i? in zwei weitere Strahlen A und B zerteilt während der zweite Sekundärstrahl durch den Strahlteiler 77C in zwei weitere Strahlen C und D aufgeteilt wird. Der Strahl A wird von der Platte 78 und der Strahl C von der Platte 74 abgefragt Diese beiden Platten 78 und 74 sind so eingestellt, daß sie eine Phasenverschiebung von 90° ergeben. Die entsprechenden Signale entsprechen daher einer Sinus- oder einer Kosinusfunktion.

Die Ausgangsspannungen der beiden Photozellen 79 und 75 stehen daher im gleichen Verhältnis zueinander wie die durch die Platten 78 und 74 hindurchlaufenden optischen Signale. Der Strahl B wird von einer Platte 78/4 abgefragt die gegenüber der Platte 78 so eingestellt ist, daß sich eine Phasenverschiebung von 180° ergibt Die Ausgangsspannung von der Photozelle 79,4 steht daher in dem gleichen Phasenverhältnis zu der Ausgangsspannung von der Photozelle 79, wie dies bei der Ausführung nach F i g. 1 im Zusammenhang mit den beiden Phototzellen 55 und 59 beschrieben wurde. Bei einer Subtraktion dieser beiden Spannungen wird die Durchschnittsgleichspannungskomponente gelöscht und das dem Gleichspannungsverstärker 83 zugeführte Gleichspannungssignal repräsentiert die zutreffende Stelle auf der Sinuskurve.

Ähnlich ist die Platte 74,4 so eingestellt daß der Strahl D mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem Strahl C abgefragt wird, der durch die Platte 74 durchtritt. Die beiden an den Photozellen 75 und 75/4 entstehenden sinusförmigen Signale liegen daher um 180° auseinander. Bei der Zusammenfassung der beiden Signale wird die Durchschnittsgleichspannungskomponente daher gelöscht. Die verbleibende Gleichspannung wird dem Gleichspannungsverstärker 88 zugeführt. Der Betrag dieser Spannung entspricht der jeweiligen Stelle auf der Kosinusfunktion.

An den beiden Verstärkern 83 und 88 können damit je ein Gleichspannungssignal abgenommen werden. Die beiden Signale geben die Winkelstellung der Welle an. Ihre Beträge stehen im gleichen Verhältnis zueinander wie zwei Punkte, die auf einer Sinuskurve um 90° auseinanderliegen.

Wegen der Forderung, daß die Abstände zwischen der Scheibe 70 und den Platten 78, 78Λ, 74 und 74A sehr kurz sind, entsteht das Bedürfnis nach einem baukleinen Strahlteiler. Ein solcher Strahlteiler 77 ist in F i g. 3 gezeigt. Sein Aufbau ist in F i g. 4 dargestellt. Er besteht aus zwei dreieckförmigen Prismen 90 und 91

und einem schwalbenschwanzförmigen Prisma 92. Vor dem Zusammenbau werden die Grenzflächen 95, 96 und 97 überzogen, damit gleiche Mengen des auffallenden Lichtes reflektiert und durchgelassen werden.

Im Betrieb wird der von der Projektionslinse 76 kommende Lichtstrahl Man der Zwischenfläche 95 unter Bildung von zwei Lichtstrahlen aufgeteilt, von denen der erste an der Zwischenfläche 97 unter Bildung der Lichtstrahlen A und B weiter aufgeteilt wird, während der zweite Lichtstrahl an der Zwischenfläche 96 unter Bildung der Lichtstrahlen C und D aufgeteilt wird. Die Lichtstrahlen A und B werden dann von den Platten 78 und 79A abgefragt unter Bildung einer sinusförmigen Anzeige der Winkelstellung der Welle bei gleichzeitiger Unterdrückung gleichphasiger Gleichspannungskomponenten. Ähnlich werden die Lichtstrahlen C und D von den Platten 74 und 74Λ abgefragt, und zwar unter Bildung einer Kosinusfunktion, die ebenfalls die Winkelstellung der Welle angibt, wobei gleichzeitig die gleichphasigen Gleichspannungskomponenten unterdrückt werden.

Es sein an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Darstellung in der Zeichnung nur schematisch ist, und daß für ein Verständnis der Erfindung unnötige Elemente weggelassen wurden. Es sei bemerkt, daß man im allgemeinen zwischen die Lichtquelle 53 und den Rand 52 einen Kondensator einsetzen wird, um das Licht besser auszunutzen. Ferner wird man bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 Potentiometer an die Photozellen 55 und 59 anschließen, um diese aufeinander abzustimmen und um Unterschiede auszugleichen. Mit einer Verstellung dieser Potentiometer kann man sicherstellen, daß die Ausgangsspannungen der beiden Photozellen ihrem Betrag nach vergleichbar • sind, so daß die Subtraktion der Gleichspannungskomponenten der beiden Signale zu einer vollständigen Löschung der unerwünschten Durchschnittsgleichspannungskomponente führt

Der Begriff »Photozelle« bezeichnet hier ganz allgemein einen Übertrager, der ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt

Ein Strahlteiler ist das bevorzugte Mittel zum Erzielen zweier getrennter Lichtsignale. Statt eines Strahlteilers kann jedoch auch ein Zeit-Unterteilungsmechanismus verwendet werden, z. B. ein rotierender Spiegel, mit dem der Hauptlichtstrahl in zwei HilfsHchtstrahlen

ao aufgeteilt wird. Die Verwendung von Prismen als Strahlteiler wird bevorzugt

Bei Anwendung geeigneter Linsen und geeigneter Abstände kann man die Hilfslichtstrahlen auch noch in weitere Strahlen unterteilen, so daß man mehr als zwei

as Ausgangssignale erhält Eine solche Konstruktion wäre allerdings lediglich ein wiederholtes Aneinandersetzen des erfindungsgemäßen Grundprinzips.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßvorrichtung für die Drehzahl und Winkelstellung einer Welle unter Verwendung einer auf die Welle aufgesetzten Strichscheibe, einer den Strichen gegenüberliegenden Lichtquelle, einer im Lichtweg auf der anderen Seite der Strichscheibe angeordneten Linse, einem im Lichtweg hinter der Linse liegenden Strahlteiler und in den beiden Lichtwegen hinter dem Strahlteiler jeweils liegenden Strichplatte mit nachfolgender Photozelle nach Patentanmeldung P 1523231.2-52, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen (55,59) mit zwei gleichen Polen aneinander umd mit den beiden anderen Polen an je einen Pol des Eingangs eines Differentialverstärkers (63) angeschlossen sind und dieser Verstärker (63) eine Anzeigeeinrichtung speist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (54, 58) entsprechend dem gewünschten Phasenverhältnis zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Photozellen (55,59) gegeneinander verschoben sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (54, 58) um die Breite eines Streifens gegeneinander verschoben sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg der beiden von den Strahlleiter (77A) abgegebenen Lichtkomponenten je ein zusätzlicher Strahlteiler (77B, 77Q angeordnet ist, und daß im Weg der beiden von dem ersten zusätzlichen Strahlteiler {77B) abgegebenen Lichtkomponenten (A, B) eine erste und zweite ortsfeste Strichplatte (78, 78/1) und im Weg der beiden von dem zweiten zusätzlichen Strahlteiler (77C) abgegebenen Lichtkomponenten (C, D) dritte und vierte ortsfeste Strichplatten (74, 74/4) stehen, die zweite Strichplatte (78/4) gegenüber der ersten Strichplatte (78) und die vierte Strichplatte (74A) gegenüber der dritten Strichplatte (74) um je eine Streifenbreite versqhoben ist, und daß ferner die beiden Plattenpaare um je eine halbe Streifenbreite verschoben sind, und daß die Photozellen (79, 79A) bzw. 75, 75A) eines jeden Plattenpaares mit zwei gleichen Polen aneinander und mit den beiden anderen Polen an je einen Pol des Eingangs eines Verstärkers (83 bzw. 88) angeschlossen sind.