DE1623858B1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der winkelstellung einer drehwelle mittels lichtelektrischer hilfskraft - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der winkelstellung einer drehwelle mittels lichtelektrischer hilfskraftInfo
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- DE1623858B1 DE1623858B1 DE1967T0035355 DET0035355A DE1623858B1 DE 1623858 B1 DE1623858 B1 DE 1623858B1 DE 1967T0035355 DE1967T0035355 DE 1967T0035355 DE T0035355 A DET0035355 A DE T0035355A DE 1623858 B1 DE1623858 B1 DE 1623858B1
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Description
1 2
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- Referenzsignal ein der Winkelstellung der Welle ent-
richtung zum Bestimmen der Winkelstellung einer sprechendes Signal gewonnen wird.
Drehwelle mittels lichtelektrischer Hilfskraft. Bei der Erfindung wird also ein modulierter, polari-
In zahlreichen Anwendungsfällen, insbesondere auf sierter Lichtstrahl auf ein optisch aktives Element pro-
dem Gebiet der astronomischen Navigation, ist es seit 5 jiziert, welches zusammen mit der Welle umläuft,
langem erforderlich, genaue Winkelmessungen auszu- dessen Winkelstellung bestimmt werden soll. Das von
führen. Die Forderung nach kleinen Instrumenten mit dem optisch aktiven Element schließlich abgeleitete
großem Auflösevermögen, die auch unter extremen Signal wird mit einem Bezugs- bzw. Referenzsignal
Bedingungen noch betriebsbereit sind, hat dabei die verglichen, das resultierende Signal liefert eine Aus-
von elektromechanischen Vorrichtungen gebotenen io sage über die Winkelstellung der Welle.
Möglichkeiten längst überstiegen. Die mit einer Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu
optischen Scheibe arbeitenden Vorrichtungen gehören sehen, daß es möglich ist, auch kleinste Drehwinkel-
in die mechanische Kategorie, da ihr erfolgreicher unterschiede zu erfassen und präzis anzuzeigen, ohne
Betrieb davon abhängt, bis zu welchem Maße extrem daß irgendeine mechanische Verbindung mit der sich
kleine, mechanische Toleranzen bei der Herstellung 15 drehenden Welle notwendig ist. Auch ist die Geschwin-
eingehalten werden können. Die Probleme, die auf- digkeit, mit welcher sich die Welle jeweils dreht, für
treten, wenn eine solche Scheibenvorrichtung mit einem das erfindungsgemäße Meßverfahren praktisch ohne
Auflösevermögen von 21 bit entwickelt werden soll, Bedeutung.
laufen darauf hinaus, die mechanische Herstellung Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausum
einige Größenanordnungen zu verbessern. Eine 20 führungsformen der Erfindung dient im Zusammenbefriedigende
Lösung der bei der Herstellung von hang mit e'en Zeichnungen der weiteren Erläuterung.
Winkelmeßvorrichtungen hoher Genauigkeit und Dabei zeigt
Empfindlichkeit auftretenden Probleme verlangt aber F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten
eine völlig neue Konzeption und nicht einen von vorn- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich-
herein zum Scheitern verurteilten Versuch,- die hand- 25 tung,
werkliche Kunstfertigkeit weiter zu steigern. F i g. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung
Die vorliegende Erfindung beruht auf einer derart'gen der Arbeitsweise der Vorrichtung aus F i g. 1 und
neuen Konzeption, zu welcher im wesentlichen ein F i g. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten
Interferometer für polarisiertes Licht gehört. Die er- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich-
findungsgemäße Vorrichtung ist in sich kompakt, 30 tung.
besitzt ein hohes Auflösungsvermögen und enthält Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform
im wesentlichen keine beweglichen Teile. Das Auflö- einer Vorrichtung zum Bestimmsn von Winkellagen
sungsvermögen einer erfindungsgemälen Vorrich- gemäß der Erfindung wird ein aus einer Lichtquelle 12
tung ist besser als 23 bit. Die geringe Baugröße und stammendes Lichtbündel 10 mit Hilfe eines Linsen-
die Robustheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 35 systems 16 zu einem Parallelstrahlbündel 14 konzen-
machen sie in idealer Weise fir praktisch jede gewerb- triert. Das Lichtbündel 14 durchdringt einen Polari-
liche oder militärische Anwendung geeignet. sator 18, der aus einer Prismenanordnung oder einem
Aus dem Journal of the Optical Society of America, gewöhnlichen Polarisationsfilter bestehen kann. Das
August 1953, Bd. 43, S. 668 tis 672, kann ein optisches aus dem Polarisator 18 austretende Lichtbündel durchSystem
entnommen werden, welches zu einer Anord- 40 dringt ein Lambda/Viertel-Wellenplättchen 20, beinung
zur elektronischen Lagebestimmung von Inter- spielsweise aus Quarz, welches zwischen den Wellenferenzringen
gehört. Aus diesem optischen System geht komponenten des polarisierten Lichtbündels eine
die Verwendung eines sich drehenden Polarisators für bestimmte Phasenverzögerung hervorruft,
die Modulation eines Signals als bekannt hervor. Das aus dem Wellenplättchen 20 austretende, pola-
die Modulation eines Signals als bekannt hervor. Das aus dem Wellenplättchen 20 austretende, pola-
Weiterhin kann dem IBM Technical Disclosure 45 risierte Lichtbündel tritt nacheinander in zwei Pockel-
Bulletin, Bd. 9, Nr. 8 vom Januar 1967 auf den Seiten zellen 22 und 24 ein, die mit sinusförmigen Spannungsn
1G04 und 1G05 eine Anordnung zur Modulation eines mit einem Phasenunterschied von 90° betrieben werden.
Laserstrahls durch Binärsignale entnommen werden, Die Spannungen werden an Klemmen 26 bzw. 28 an-
d. h. durch eine Folge von Ein-Aus-Signalen mit sehr gelegt. Jede Pockelzelle besteht beispielsweise aus einem
hoher Widerholungsgeschwindigkeit. Auch in diesem 5° Kaliumdihydrogenphosphatkristall 30, dessen Flächen
Falle wird ein Polarisator verwendet. senkrecht zur kristallografischen Z-Achse geschliffen
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- sind (B. H. Billings, Journal Optical Society of
gründe, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur America, 39, S. 797 [1949]). Wenn an die transparenten
Bestimmung von Winkelstellungen einer Welle mit Elektroden 32 und 34, die auf die erwähnten Kristall-
sehr hoher Genauigkeit und sehr großer Empfindlich- 55 flächen aufgebracht sind, eine Spannung angelegt
keit vorzuschlagen, wobei die Vorrichtung keine oder wird, wird der normalerweise unaxiale Kristall 30
nur wenige bewegliche Teile aufweisen, gegenüber doppelbrechend und verhält sich als variable Verzögs-
Schwerkraft und Beschleunigung unempfindlich und rungs- oder Modulationsplatte, wobei die Verzögs-
auch unter extremen Arbeitsbedingungen eine lange rung der angelegten Spannung proportional ist.
Lebensdauer besitzen soll. 6° Das aus den hintereinandergeschaltsten Pockel-
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus zellen austretende, elliptisch polarisierte Licht wird
von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art nach Durchlaufen eines Strahlenteilers 38 von einem
und besteht darin, daß ein Lichtstrahl parallel gerichtet Wandler 40, der als Kombination aus einem Spiegel
und polarisiert und der Polarisationswinkel des Lichtes und einem optisch aktiven Element ausgebildet ist
mit bestimmter Frequenz moduliert wird, daß das 65 und am Ende einer rotierenden Welle 42 befestigt ist,
polarisierte Licht mittels eines zusammen mit der Welle reflektiert und tritt nach Reflexion an der (in F i g. 1)
sich um seine optische Achse drehenden, optisch akti- linken Seite des Strahlenteilers 38 in einen Detektor 44
ven Elementes beeinflußt und im Vergleich mit einem ein. Die spektralen Kennzeichen der Elemente des
3 4
beschriebenen Systems wirken in der Weise zusammen, folie bestehen kann (W. A. Schurcliff, Polarized
daß sie dem Lichtbündel bzw. dem Lichtstrahl eine Light, Harvard University Press [1962], S. 109).
Hauptwellenlänge mitteilen, die durch einen optischen Das Ansprechen und die Wirkungsweise der erfin-Kompensator, beispielsweise nach B a b i η e t- dungsgemäßen Vorrichtung läßt si;h am besten unter S öl eil gemessen werden kann (H. G. Jerrard, 5 Zuhilfenahme des Müller-Jones-Kalküls beschreiben, Journal Optical Society of America, 38, S. 35 [1948]). zu desssn Verständnis auf das oben zitierte Buch von Die Abwesenheit von Filtern liefert eine größere nutz- Schurcliff verwiesen wird. Dieser Kalkül liefert mittels bare Lichtmenge im System. des Produktes charakteristischer Matrizen eine ana-Der Strahlenteiler 38 besteht aus einem halbdurch- lytische Beschreibung des Polarisationszustandes eines lässigen Spiegel. Der Wandler 40, welcher an der dreh- io Lichtbündels, welches durch eine Reihe die Polaribaren Welle 42 befestigt ist, enthält einen Spiegel 46, sation modifizierender, optischer Komponenten hinan dessen Oberfläche das eigentliche optisch aktive durchgegangen ist. Nach diesem Kalkül ist die Am-Element, welches auch als Analysator 50 bezeichnet plitude y des in den Detektor 44 eintretenden powerden kann, befestigt ist, und welches im allgemeinen larisierten Lichtes durch folgenden Ausdruck gsgeaus einem Polarisationsfilter oder einer Polarisations- 15 ben.
Hauptwellenlänge mitteilen, die durch einen optischen Das Ansprechen und die Wirkungsweise der erfin-Kompensator, beispielsweise nach B a b i η e t- dungsgemäßen Vorrichtung läßt si;h am besten unter S öl eil gemessen werden kann (H. G. Jerrard, 5 Zuhilfenahme des Müller-Jones-Kalküls beschreiben, Journal Optical Society of America, 38, S. 35 [1948]). zu desssn Verständnis auf das oben zitierte Buch von Die Abwesenheit von Filtern liefert eine größere nutz- Schurcliff verwiesen wird. Dieser Kalkül liefert mittels bare Lichtmenge im System. des Produktes charakteristischer Matrizen eine ana-Der Strahlenteiler 38 besteht aus einem halbdurch- lytische Beschreibung des Polarisationszustandes eines lässigen Spiegel. Der Wandler 40, welcher an der dreh- io Lichtbündels, welches durch eine Reihe die Polaribaren Welle 42 befestigt ist, enthält einen Spiegel 46, sation modifizierender, optischer Komponenten hinan dessen Oberfläche das eigentliche optisch aktive durchgegangen ist. Nach diesem Kalkül ist die Am-Element, welches auch als Analysator 50 bezeichnet plitude y des in den Detektor 44 eintretenden powerden kann, befestigt ist, und welches im allgemeinen larisierten Lichtes durch folgenden Ausdruck gsgeaus einem Polarisationsfilter oder einer Polarisations- 15 ben.
y-
Ό 0\ / cos© sin0\ 1 l_ /1 -l\ /1 0 \ "j/2_ /1 IWl
Ο lj ^-sin6> cos©/ F2U 1/1,0 exp(/<5)] \ 2 [-1 1/ \0
Ο lj ^-sin6> cos©/ F2U 1/1,0 exp(/<5)] \ 2 [-1 1/ \0
Dabei ist ein verlustloses System angenommen, Die vierte, mit einem konstanten Koeffizienten ver-
und die Azimutwinkel sind in üblicher Weise aus- sehene Matrix löst das die Pockelzelle 22 verlassende
gehend von einer willkürlichen, äußeren Bezugslinie 25 Licht in Komponenten auf, die bei +45° zur Bezugsgemessen,
und zwar mit Blickrichtung gegen die Aus- linie liegen; dis fünfte Matrix, die den Einfluß der
breitungsrichtung des Lichtbündels. Pockelzelle 24 in F i g. 1 beschreibt (45° Azimut),
Das obige Matrixprodukt wird von rechts nach links führt zwischen jenen Komponenten eine Phassnvar-
gelesen: Die erste mit einem konstanten Koeffizienten Schiebung δ ein.
versehene Matrix beschreibt ein Bündel linear polari- 30 Die sechste, mit einem konstanten Koeffizienten
sierten Lichtes mit Einheitsamplitude, dessen Polari- versehene Matrix löst das aus der Pockelzelb 24 aus-
sationswinkel auf Grund der Anwesenheit des Polari- tretende Licht in Komponenten auf, die parallel und
sators 18 bei —45° liegt. senkrecht zur Bezugslinie liegen.
Die zweite Matrix trägt der Wirkung des Lambda/ Die siebte Matrix löst das aus der Pockelzelle 24
Viertel-Plättchens 20 Rechnung, wobei die optische 35 austretende Licht in Komponenten auf, db bezüglich
Achsa parallel zur Bezugslirb ist. Hierdurch wird eine der Bezugslinie bei einem Winkel von +0 liegen,
Phasenverschiebung von 90° zwischen den parallel während die achte Matrix diejenige Komponente aus-
und senkrecht zur Bezugslinie gemessenen Kompo- wählt, die der Bezugslinie in dem um Θ gedrehten
nenten hervorgerufen. System entspricht. Die siebte und achte Matrix be-
Die dritte Matrix beschreibt die Wirkung der ersten 4° ziehen sich infolgedessen auf den Einfluß des optisch
Pockelzelle 22 in F i g. 1 (0° Azimut), welche zwischen aktiven Elements 50, wobei Θ die Winkelverdrehung
den Komponenten des parallel und senkrecht zur dieses Elementes ist.
Bezugslinie polarisierten Lichtes eine Phasenverschie- Die Entwicklung des Matrixproduktes führt zu:
bung hervorruft.
bung hervorruft.
= j/f si
sin<9 {[1 + exp (Ja)] -j exp (je) [1 - exp
+ 1/Acos(9{[-1 + exp (J S)] +./exp C/β) P + expG<5)]}.
Das Produkt von y mit dessen Komplex-Konju- entsprechend der nachstehenden Relationen
gierterj>* liefert einen Ausdruck far den auf den s _ y.F -;_,.*
gierterj>* liefert einen Ausdruck far den auf den s _ y.F -;_,.*
Detektor 44 fallenden Lichtfluß: " '
ε = kE coscoi.
Y 7* = I (1 + sin δ cos ε cos 2 Θ - sin ε sin 2 Θ). ^ In, dif sen c Beziehungen bedeutet E die Größe der
2 angelegten Spannung und k eine Konstante. Wenn E
hinreichend klein gemacht wird, so daß gilt:
Das Anlegen sinusförmiger Spannungen an die . „ _ . , Λ _-ι Λ2/
Pockelzellen 22 und 24 führt zu einer entsprechenden smd — ö und cosd — 1 — d /2
Modulierung der induzierten Phasenverschiebungen 60 und entsprechend für sin ε und cos ε erhält man
yy* = 1 jl + kE sin (ω t - 2Θ) - -^- k3E3 cos 2 Θ sin 3 ω t — ~ k3E3 cos 2 Θ sin ω t
Der Ausgang des Detektors 44 besteht nunmehr aus Pockelzellen, jedoch mit einer Phasenverschiebung,
einem Gleichstromterm, einem Wechselstromterm mit die gleich der doppelten Winkel Verdrehung der Welle 42
der gleichen Frequenz wie die Spannungen an den ist. Ferner umfaßt der obenstehende Ausgang des
Detektors 44 zwei kleine Ausdrücke, von denen der stellung der Welle, und zwar mit einer Genauigkeit
eine die Treibfrequenz der Pockelzellen und der andere von 0,05 Bogensekunden.
das Dreifache dieser Frequenz aufweist und wobei Der Strahlenteiler 38 und der Spiegel 40 in F i g. 1
die Amplituden von der Verdrehung der Welle ab- können in solchen Anwendungsfällen entfallen, wo
hängen. Ein Sperr- und Filterstromkreis 46 läßt ledig- 5 der Detektor 44 innerhalb der Welle 42 oder in der
lieh das nutzbare Wechselstromsignal passieren, Nähe des anderen Endes der Welle untergebracht
welches von der Form ist: werden kann, wobei eine geeignete Öffnung durch die
V = k' sin (ω t 4- 2 Θ) (D Längsachse der Welle vorhanden sein muß, um das
~~ Lichtbündel 14 passieren zu lassen. Dem Fachmann
. Hierbei ist / = ω/2 π die Treibfrequenz der Pockel- io ist weiterhin klar, daß der Detektor 44 irgendein
zellen, Θ die Winkelverdrehung der Welle und k' eine optisch-elektrischer Wandler sein kann und daß der
Konstante. digital arbeitende Zähler 48 auch durch eine Analog-
Das nutzbare Ausgangssignal wird vom Filter- anzeige ersetzt werden kann.
Stromkreis 46 einem digital arbeitenden Zeitintervall- Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von einer
zähler 48 zugeführt. In diesen Zähler 48 wird ferner 15 mechanischen Ankupplung unabhängig. Es erfolgt
auch ein Signal, welches einer der sinusförmigen, an eine echte optische Kupplung zwischen der Vorricheine
der Pockelzellen angelegten Signalspannungen tung und der drehbaren Welle 42. Die Welle trägt
entspricht, eingeleitet, wie dies schematisch in F i g. 1 einen optischen Wandler 40, der beispielsweise nur
durch die Linien 52 angedeutet ist, die die Elektroden 4 mm im Durchmesser und 1,7 mm dick zu sein braucht
32 und 34 der Pockelzelle 22 mit dem Zähler 48 ver- 20 und ein Gewicht von lediglich 50 mg haben kann. Diese
binden. Infolgedessen werden dieses Signal sowie Masse bildet die einzige mechanische Belastung, welche
die Ausgangssignale der Vorrichtung dazu benutzt, der rotierenden Welle auferlegt werden muß. Beim
den digitalen Zeitintervallzälher 48 zu betätigen, und Wegfall des Strahlenteilers 38 und des Spiegels 46
das der Phasenverschiebung entsprechende Zeitinter- kann, falls der Detektor 44 in der Nähe des anderen
vall wird eine lineare Funktion der Winkelverdrehung 25 Endes der Welle aufgestellt wird, dieses Gewicht noch
der Welle 42. . weiter reduziert werden.
Die obige Gleichung (1) zeigt, daß eine Verdrehung Da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung keinerlei
der Welle von 180° eine Phasenverschiebung von 360° Lager eingeschlossen sind, entfallen Torsionskräfte
im Ausgangssignal erzeugt. Da 180° 6,48 · 105 Bogen- beim Start und Lauf der Vorrichtung. Diese lagerfreie
Sekunden entsprechen, ist das Zeitintervall Δ t, welches 30 Konstruktion gestattet eine einfache Anpassung der
einer Verdrehung der Welle 42 über eine Bogensekunde Vorrichtung an bereits existierende Anlagen, bei denen
entspricht, gleich: . der Zugang zum Ende der drehbaren Welle leicht her-
Λ t _ ι 54. iQ-6 f-i (2) gestellt werden kann. Die Welle kann, falls erwünscht,
' in einiger Entfernung von der erfindungsgemäßen Meß-
In dieser Gleichung bedeutet / die Treibfrequenz. 35 vorrichtung liegen.
Handelsübliche Intervallzähler, wie sie überall Es ist zu betonen, daß die Anzeige lediglich von den
verfügbar sind, sind in der Lage, Zeitintervalle von Winkelverdrehungen der Welle 42 abhängt. Bewegun-1
· 10~9 Sekunden mit einer Genauigkeit von dz 5 · 1O-10 gen des Wandlers, welche durch Spiel des Wellenendes
Sekunden aufzulösen. Ein Beispiel für einen solchen und Auslaufen erzeugt werden, spielen keine Rolle.
Zähler ist das Modell 793 des digitalen Zeitintervall- 40 Die vorteilhaften Merkmale einer erfindungsgezählers, hergestellt von Eldorado Electronics Comp. mäßen interferometrischen Vorrichtung zur Bestimof Concord, California, USA. mung der Winkellagen einer Welle lassen sich wie folgt
Zähler ist das Modell 793 des digitalen Zeitintervall- 40 Die vorteilhaften Merkmale einer erfindungsgezählers, hergestellt von Eldorado Electronics Comp. mäßen interferometrischen Vorrichtung zur Bestimof Concord, California, USA. mung der Winkellagen einer Welle lassen sich wie folgt
Zur Erhaltung von 106 bis 107 Ablesungen oder zusammenfassen:
Anzeigen/Sek. wird außer dem Zähler 48 ein (nicht _, . , . '
Anzeigen/Sek. wird außer dem Zähler 48 ein (nicht _, . , . '
dargestellter) Computer verwendet, der zwischen auf- 45 (jenauiSlceit.
einanderfolgenden Ablesungen interpoliert und dabei 0,1 Bogensekunde bei allen Winkeln; unabhängig
von der leicht verfügbaren Information über die ge- ™n vorangehenden Drehungen,
naue Geschwindigkeit Gebrauch macht. Der maximale, Auflösung:
durch die Interpolation hervorgerufene Fehler ist - q γ Bogenge^nde
durch die Interpolation hervorgerufene Fehler ist - q γ Bogenge^nde
durch den Computer nicht beschränkt. Er hängt 5° . ' .
lediglich von demjenigen Ausmaß ab, in welchem eine Leistungseingang:
Beschleunigung innerhalb des betrachteten 1J51-Se- 30 Watt.
lediglich von demjenigen Ausmaß ab, in welchem eine Leistungseingang:
Beschleunigung innerhalb des betrachteten 1J51-Se- 30 Watt.
kunden-Intervalls stattfindet. Ferner ist zu beachten, Umlaufgeschwindigkeit (Slew Rate):
daß die Interpolationsfehler nicht kumulativ sind. °
daß die Interpolationsfehler nicht kumulativ sind. °
In Fig. 2 ist die Spannung54 dargestellt, welche 55 Unbeschrankt,
gleichzeitig an die Pockelzelle 22 und den digitalen Torsionskraft beim Start:
Zeitintervallzähler 48 angelegt wird. Weiterhin ist die Keine,
gleichzeitig an die Pockelzelle 22 und den digitalen Torsionskraft beim Start:
Zeitintervallzähler 48 angelegt wird. Weiterhin ist die Keine,
resultierende, nutzbare Arbeitsspannung 56 dargestellt, . . .
welche vom Detektor 44 abgelesen und über den Filter- i °rsionskratt beim Betrieb:
Stromkreis 46 dem Zähler 48 zugeleitet wird. Beide 60 Keine.
Kurven sind im wesentlichen im gleichen Maßstab Anzeige-Typ:
Stromkreis 46 dem Zähler 48 zugeleitet wird. Beide 60 Keine.
Kurven sind im wesentlichen im gleichen Maßstab Anzeige-Typ:
dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Signalspannung 56 ^4-8 BCD Gleichstromspannungen
gegenüber der Antnebsspannung 54 um ein Zauntor- ))0(( = (_)0 5 Volt nominal; >
>1<( = (_)5 0 Volt
vall Δ t phasenverschoben ist, wobei diese Phasenver- nominal
Schiebung, wie zuvor erläutert, eine lineare Funktion 6g
der Verdrehung der WeUe 42 ist. Der Zähler 48 liefert Gewicht und Volumen der Vorrichtung:
somit eine Anzeige, die dem Intervall A't proportional Gewicht etwa 45 g; Volumen etwa 16,4 cm3 außer
somit eine Anzeige, die dem Intervall A't proportional Gewicht etwa 45 g; Volumen etwa 16,4 cm3 außer
ist. Diese Anzeige ist repräsentativ für die Winkel- elektrischen Zuleitungen.
Gewicht und Volumen der elektronischen Einrichtung: Gewicht 0,45 kg; Volumen 3500 cm3.
Lebensdauer:
Etwa 20 Jahre bei durchschnittlicher Brenndauer der Lichtquelle; längere Lebensdauer bei besseren
Lichtquellen.
Nullpunkt (Zero Reference):
Stabil; ein interner Bezugspunkt wird in der Form einer plötzlichen Phasenverschiebung von 0 auf
360° vermittelt, wenn die Welle durch die 0- oder 180°-Stellung läuft.
Art der Lager:
Keine Lager.
Keine Lager.
Lebensdauer der Lager:
Nicht zutreffend.
Nicht zutreffend.
Betriebstemperatur:
-40 bis +450C.
-40 bis +450C.
Absolute Messung:
Arbeitsbereich:
360°.
Arbeitsbereich:
360°.
Die Intensität des in den Detektor 66 gelangenden Lichtes besitzt die folgende Form:
cos2<wi
Ig — K L·
Wenn sich die Welle 42 um einen Winkel Θ verdreht hat, wird die zum Detektor 66 gelangende Lichtintensität:
lsi = K L·
Somit gibt eine Verdrehung der Welle 42 um einen Winkel Θ eine Verschiebung von 2 Θ zwischen den
Lichtintensitäten, welche von den Detektoren 62 und empfangen werden. Diese Phasenverschiebung ist
ein Maß für die Winkelstellung der Welle 42 bezüglich
einer Bezugsrichtung. Die am Ausgang der Detektoren 66 und 62 erhaltenen Signale, welche in F i g. 2
ao bei 54 bzw. 56 dargestellt sind, sind in der Phase um einen Betrag von A't verschoben und werden im Zähler
in der gleichen Weise ausgenutzt, wie dies im voranstehenden im Zusammenhang mit der Ausführungsform
gemäß F i g. 1 beschrieben wurde.
Bei der in F i g. 3 dargestellten abgewandelten Vorrichtung gemäß der Erfindung werden Lichtstrahlen 10,
die aus einer Lichtquelle, beispielsweise einer Glühbirne 12, stammen, zu einem im wesentlichen parallelstrahligen
Bündel 14 mit Hilfe eines Kollimator- oder Linsensystems 16 vereinigt. Das Bündel 14 durchdringt
einen Polarisator 18, welcher auf der Welle 58 eines elektrischen Synchronmotors 60 angeordnet und
von diesem kontinuierlich in Umlauf versetzt wird. Das den Polarisator 18 verlassende Lichtbündel besitzt
eine Polarisationsrichtung, welche synchron mit dem Umlauf der Motorwelle 58 rotiert.
Das rotierende, linear polarisierte Licht aus dem
Polarisator 18 wird teilweise vom Strahlenteiler 38 als Bezugsbündel reflektiert und fällt auf einen Be-
^ zugsdetektor 62. Infolgedessen ist der Ausgang des
ψ Detektors 62 ein Signal, das die Modulationsfrequenz
des rotierenden Polarisationswinkels des Bezugsbündeis darstellt.
Das den Strahlenteiler 38 durchdringende, polarisierte Teilbündel wird von einem einen Spiegel und
Analysator umfassenden Wandler 40, der am Ende der drehbaren Welle 42 befestigt ist, reflektiert und trifft
auf einen zweiten Detektor 66, nachdem es von der (in F i g. 3) linken Fläche des Strahlenteilers 38 reflektiert
wurde.
Der Wandler 40 schließt, wie bereits zuvor im Zusammenhang mit F i g. 1 erwähnt, einen Spiegel 46
ein, auf dessen Oberfläche ein optisch aktives Element 50 in Form eines Polarisationsfilters oder -films befestigt
ist.
Die Intensität des zum Detektor 62 gelangenden Lichtes ist von folgender Form:
Ir = KL· cos2 öi= KL·
cos 2 cu A
In dieser Formel bedeutet Ip die Intensität des einfallenden
Lichtes, ω die Drehfrequenz des Polarisators 18 und K eine Konstante.
Claims (7)
1. Verfahren zum Bestimmen der Winkelstellung einer Drehwelle mittels lichtelektrischer Hilfskraft,
dadurchgekennzeichnet, daß ein Lichtstrahl parallel gerichtet und polarisiert und der
Polarisationswinkel des Lichtes mit bestimmter Frequenz moduliert wird, daß das polarisierte Licht
mittels eines zusammen mit der Welle sich um seine optische Achse drehenden, optisch aktiven Elementes
beeinflußt und im Vergleich mit einem Referenzsignal ein der Winkelstellung der Welle entsprechendes
Signal gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal aus dem noch
nicht beeinflußten und das Meßsignal aus dem beeinflußten Polarisationswinkel des Lichtstrahles
gewonnen wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet
durch Einrichtungen (12, 16, 18) zur Erzeugung eines Strahles (14) aus polarisiertsm Licht, durch
Mittel (22, 14) zur Modulation des Polarisationswinkels des Lichtstrahles (14), durch ein optisch
aktives, mit der Welle (42) in Wirkverbindung stehendem Element, auf das der Lichtstrahl auftrifft
und durch eine Meß- und Anzeigeeinrichtung (44, 46, 48) auf die das aus dem optisch aktiven
Element gewonnene Meßsignal zum Vergleich mit einem aus den Modulationsmitteln (22, 24) abgeleiteten
Referenzsignal geschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation des Polarisationswinkels
ein Paar Pockelzellen (22, 24) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation des Polarisationswinkels
ein rotierender Polarisator (18, 58, 60) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meß- und Anzeigeeinrichtung
ein digitaler Zeitintervallzähler (48) vorgesehen ist.
109520/183
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein hinter dem
aktiven Element (50) angeordneter, das Licht durch das optisch aktive Element zurück auf die
Rückseite eines halbdurchlässigen Strahlenteilers (38) reflektierender Spiegel (46) und eine ein erstes
aus dem optisch aktiven Element stammendes
10
Meßsignal mit. einem zweiten, aus den Modulationsmitteln (22,24) stammendes Rererenzsignal
vergleichende MeB- und Anzeigeeinrichtung (44, 46, 48) vorgesehen ist, die den für die Winkelstellung
der Welle (42) repräsentativen Phasenunterschied (A't) zwischen diesen beiden Signalen
aufzeigt.
Hierzu !Blatt Zeichnungen.
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