DE1623858C

DE1623858C - Method and device for determining the angular position of a rotating shaft by means of an auxiliary photoelectric power

Info

Publication number: DE1623858C
Application number: DE19671623858
Authority: DE
Inventors: Carlo Utica McMenamin James M Livonia Mich DelCarlo (V St A)
Original assignee: Teeg Research Inc
Current assignee: Teeg Research Inc
Priority date: 1967-02-23
Filing date: 1967-11-29
Publication date: 1973-02-08

Description

WSfl&astefiBBg «snerWSfl & astefiBBg «sner

^egierSch, geojoe WeSsüg aasza-^ egierSch, geojoe WeSsüg aasza-

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davon abhängt, bis zu welchera MaBe extrem medukaisdie Toleranzea bei derdepends on the extent to which it is extreme medukais the tolerance of the

fcSnnen. Die Probten«, dip aof-fcSnnen. The samples «, dip aof-

Refenmzsignal «o
dd^iReference signal «o
dd ^ i

der Wdiethe wdie

BeTdeViigi ..._^_BeTdeViigi ..._ ^ _

serter lichtstrahl aaff ein optisch aktives Element projfzisrt, wele&es zusammen mit der WeBp umläuft, dessen Winkelstellung bestimmt werden: solk Pas von dem optisch aktiven Bement scftfieSSgfeabgeleitete Signal wird nut einem Bezugs- bzw. ReSerenzsignal verglichen, das resultierende Signal ßefert eine Aus-ίο sage ober die WmfcelsteäluBg der Welle.serter light beam aaff an optically active element projected, wele & it circulates together with the WeBp, whose angular position can be determined: solk pas from the optically active cement scftfieSSgfe-derived The signal is only a reference or reference signal compared, the resulting signal ßefert an off ίο say about the wmfcelsteäluBg of the shaft.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß es mägpfih ist, such kleinste Dielmakeldu d&ssen. und präzis anzuzeigeiA particular advantage of the invention is therein too see that it is bad, look for the smallest floor flaws d & ssen. and to display precisely

Auflösevermögen von 21 bit entwickelt werden soll, laufen darauf hinaus, die mechanische Herstellung um einige Größenanordnungen zu verbessern. Eine befriedigende Lösung der bei der Herstellung von Winkelmeßvorrichtungen hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit auftretenden Probleme verlangt aber eine völlig neue Konzeption und nicht einen von vornherein zum Scheitern verurteilten Versuch, die handwerkliche Kunstfertigkeit weiter zu steigern.Resolution of 21 bit is to be developed, amount to improving mechanical manufacturing by orders of magnitude. One satisfactory solution in the manufacture of angle measuring devices of high accuracy and Problems that arise sensitivity, however, require a completely new conception and not one from the outset doomed attempt to further improve the craftsmanship.

Die vorliegende Erfindung beruf tauf einer derart gen neuen Konzeption, zu welcher im wesentlichen ein Interferometer für polarisiertes Licht gehört Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in sich kompakt, besitzt ein hohes Auflösungsvermögen und enthält im wesentlichen keine beweglichen Teile. Das Auflösungsvermögen einer erfindungsgen ä Jen Vorrichtung ist besser als 23 bit. Die geringe Baugröße und die Robustheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung machen sie in idealer Weise far praktisch jede gewerbliche oder militärische Anwendung geeignet.The present invention is based on such a gene new conception, to which essentially a polarized light interferometer belongs The device is compact in itself, has a high resolution and contains essentially no moving parts. The resolving power of a device according to the invention is better than 23 bit. The small size and robustness of the device according to the invention make them ideal for virtually any commercial or military use.

Aus dem journal of the Optical Society of America, August 1953, Bd. 43, S. 668 I i · 672, kann ein optisches System entnommen werden, welches zu einer Anordnung zur elektronischen Lagebestimmung von Interferenzringen gehört. Aus diesem optischen System geht die Verwendung eines sich drehenden Polarisators für die Modulation eines Signals als bekannt hervor.From the journal of the Optical Society of America, August 1953, vol. 43, p. 668 I i · 672, an optical System can be taken, which leads to an arrangement for the electronic determination of the position of interference rings heard. From this optical system goes the use of a rotating polarizer for the modulation of a signal becomes known.

Weiterhin kann dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 9, Nr. 8 vom Januar 1967 auf den Seiten 1004 und 1C05 eine Anordnung zur Modulation eines Laserstrahls durch Binärsignale entnommen werden, d. h. durch eine FoJge von Ein-Aus Signü:n mit sehr hoher Widerholungsgeschwindigkeit. Auch in diesem Falle wird ein PcJarisator verwendet.Furthermore, the IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 9, No. 8 of January 1967 on the pages 1004 and 1C05 show an arrangement for modulating a laser beam by binary signals, d. H. through a series of on-off signs with very high repetition speed. In this case, too, a computer monitor is used.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vet fahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Winkelstellungen einer Welle mit sehr hoher Genauigkeit und sehr großer Empfindlichkeit vorzuschlagen, wobei die Vorrichtung keine oder nur wenige bewegliche Teile aufweisen, gegenüber SchwerkfLft und Beschleunigung unempfindlich und auch unter extremen Arbeitsbedingungen eine lange Lebensdauer besitzen soll.The present invention has for its object to drive a Vet and a device for Determination of angular positions of a shaft with very high accuracy and very high sensitivity to propose, the device having no or only a few moving parts, opposite Insensitive to gravity and acceleration and a long time even under extreme working conditions Should have service life.

Zur Lesung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art und besteht darin, 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 daß irgendeine mechanische Verbindung mit der sich dreheodenW^enolwendigist AadiistdieGeschwmdigkeit, mit welcher sich, die WcHe: jewefls dreht, für i&jdungsgemäfie Meßverfahren plastisch, ohneTo read this object, the invention is based on a method of the type described above and consists in that a beam of light is directed parallel and polarized and the polarization angle of the light is modulated with a certain frequency that the polarized light by means of an optically active that rotates around its optical axis together with the wave Element influences and in comparison with one that some mechanical connection with itself dreheodenW ^ enolwendigis Aadiist the speed, with which, the WEChE: jewefls rotates, for i & jdungsgemäfie measuring method plastic, without

Bedeutung.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Aus-Importance.
The following description of preferred

ao führungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit (fei Zeichnungen der weiteren Erläuterung. Dabei zeigtao implementation of the invention is used in context with (for drawings for further explanation. It shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfdhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich-F i g. 1 a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention

ä>5 tung,ä> 5 tion,

F i g. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung aus F i g. 1 undF i g. FIG. 2 shows a graphic illustration to explain the mode of operation of the device from FIG. 1 and

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfiihrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich-F i g. 3 is a schematic representation of a second Embodiment of a device according to the invention

S<o tung.S <o tung.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bestimmen von Winkellagen gemäß der Erfindung wird ein aus einer Lichtquelle IZ stammendes LichtbQndel 10 mit Hilfe eines Linsensystems 16 zu einem Parallelstrahlbündel 14 konzentriert. Das Lichtbündel 14 durchdringt einen Polarisator 18, der aus einer Prismenanordnung oder einem gewöhnlichen Polarisationsfilter bestehen kann. Das aus dem Polarisator 18 austretende Lichtbündel durch-In the case of the in FIG. 1 shown embodiment of a device for determining angular positions according to the invention, a light beam 10 originating from a light source IZ is concentrated with the aid of a lens system 16 to form a parallel beam 14 . The light bundle 14 penetrates a polarizer 18, which can consist of a prism arrangement or a conventional polarization filter. The light bundle emerging from the polarizer 18

4<> dringt ein Lambda/Viertel-WellenpllUchen 20, beispielsweise aus Quarz, welches zwischen den Wellenkomponenten des polarisierten Lichtbündels eine bestimmte Phasenverzögerung hervorruft.
Das aus dem Wellenplättchen 2Θ austretende, pola-4 <> penetrates a quarter wave plate 20, for example made of quartz, which causes a certain phase delay between the wave components of the polarized light bundle.
The polar pattern emerging from the wave plate 2Θ

risierte Lichtbündel tritt nacheinander in zwei Pockelzellen 22 und 24 ein, die mit sinusförmigen Spannungen mit einem Phasenunterschied von 90° betrieben werden. Die Spannungen werden an Klemmen 26 bzw. 28 angelegt. Jede Pockclzelle besteht beispielsweise aus einemized bundle of light enters two Pockel cells one after the other 22 and 24 a, those with sinusoidal voltages operated with a phase difference of 90 °. The voltages are applied to terminals 26 and 28, respectively. For example, each pocket cell consists of one

$o Kaliumdihydrogenphosphatkristall 30, dessen Flächen senkrecht zur kristallografischen Z-Achse geschliffen sind (B. H. Billings, Journal Optical Society of America, 39. S. 797 [1949}). Wenn an die transparenten Elektroden 32 und 34, die auf die erwähnten Kristall-SS flächen aufgebracht sind, eine Spannung angelegt wird, wird der normalerweise unaxiale KristiU30 doppelbrechend und verhält sich als variable Verzog:· rungs- oder Modulationsplatte, wobei die Verzögerung der angelegten Spannung proportional istare $ o Kaliumdihydrogenphosphatkristall 30, the surfaces perpendicular to the crystallographic Z-axis ground (BH Billings, Journal Optical Society of America, 39. 797 [1949}). When a voltage is applied to the transparent electrodes 32 and 34, which are applied to the aforementioned crystal surfaces, the normally unaxial crystal becomes birefringent and behaves as a variable warping or modulation plate, the delay of the applied voltage is proportional

So Das aus den hinteremandergeschalteten Pockelzellen austretende, elliptisch polarisierte Licht wird nach Durchlaufen eines Strahlenteilers 38 von einem Wandler 40, der als Kombination aus einem Spiegel und einem optisch aktiven Element ausgebildet istSo that from the sequential Pockel cells exiting, elliptically polarized light is after passing through a beam splitter 38 of a Converter 40, which is a combination of a mirror and an optically active element is formed

und am Ende einer rotierenden Welle 42 befestigt ist, reflektiert und tritt nach Reflexion an der (in Fig, I) linken Seite des Strahlenteilers 38 in einen Detektor 44 ein. Die spektralen Rennsseichen der Elemente desand is attached to the end of a rotating shaft 42, reflects and, after reflection on the left (in FIG. 1) of the beam splitter 38, enters a detector 44 . The spectral racing range of the elements of the

daß sie dem Lichtbnndel bzw, dem Lichtstrahl eine _n Hauptwe mitten, die durch einen optischen κ Kompensator, ^beispielsweise nach Babinet-that they center the light bundle or the light beam in a _n Hauptwe, which by an optical κ compensator, ^ for example according to Babinet-

Soleil gemessen werden kann (4LG. Jerrard,Soleil can be measured (4LG. Jerrard,

folie bestehen kann (W. A. Sch u rcli ff. Polarizedfoil can exist (W. A. Schurcli ff. Polarized

Journal %tical Soäety <ff Aeoarica, ®, & Jf f 194^). Die Abwesenheit wpm FOtere Seifert ciae größere aaföbaie Lichtmenge im S^stetn.Journal% tical Soäety <ff Aeoarica, ®, & Jf f 194 ^). The absence wpm further Seifert ciae greater aaföbaie amount of light in the S ^ steadn.

Der Strahlenteiler 38 besteht aus. einem haibdurchlässigeo SpiegeL Her Wandler-j«, wefeiieir ander drehbaren Welle 42 befestigt ist, enthält einen Spiegel 46, an dessen Oberfläche das e^entliehe optisch äktw& Element, welches auch als Analysator 50 bezeichnet werden kann, befestigt ist, und: welches im allgemeinen aus einem Polarisationsfilter oder einer PolarisationsDas Anspreeiien und die Wtrkongsweis&der erfindungsgamäßen Vorji^jtong SBt sfc& am festen enter Ädiflfenahme des MuHer-rJones-Kalköls bsschfeibsn,The beam splitter 38 consists of. a semi-transparent mirror Her Wandler-J ", which is attached to the rotatable shaft 42, contains a mirror 46, on the surface of which the e ^ borrowed optically äktw & Element, which is also referred to as analyzer 50 can be attached, and: which in general from a polarizing filter or a polarizing Modification of MuHer-rJones-Kalköls bsschfeibsn,

- - zu dessen Verständnis auf das oben zitierte Bush von Schurcliff verwiesen wird. Di=SCT Kalkül Ii Jcrt mittels des Produktes rfmialef^ts^yfaq· jtfatrizen eilte analytische Besenreibung des Polarisationsznstaodes eines- - For its understanding, refer to the above-cited Bush from Schurcliff is referred. Di = SCT calculus Ii Jcrt means of the product rfmialef ^ ts ^ yfaq · jtfatrizen hurried analytical description of the polarization state of a

ίο Lichtbündels, welches durch eine Reihe die Polarisation modifizierender, optischer Komponenten hindurchgegangen ist Nach diesem Kaflcül ist die Ampiiftide.v des in des Detektor 4* «antretenden polarisierten Lichtes durch folgenden Ausdruck gege-ίο light bundle which has passed through a series of polarization-modifying optical components.

is ben.is ben.

Y =Y =

1/ V-1 / V-

cosö/ η-η/1 ο χ cosö / η-η / 1 ο χ

\1 1 / \0 expO'i)/\ 1 1 / \ 0 expO'i) /

Dabei ist ein verhistloses System angenommen, und die Azimutwinkel sind in üblicher Weise ausgehend von einer willkürlichen, äußeren Bezugsliais gemessen, und zwar mit Blickrichtung gegen die Ausbreitungsrichtung des Lichtbündels.A cloaked system is assumed, and the azimuth angles are usually based on an arbitrary external reference area measured, looking against the direction of propagation of the light beam.

Das obige Matrixprodukt wird von rechts nach links gelesen: Die erste mit einem konstanten Koeffizienten versehene Matrix beschreibt ein Bündel linear polarisierten Lichtes mit Einheitsamplitude, dessen Polarisationswinkel auf Grund der Anwesenheit des Polarisators 18 bei —45° liegt.The above matrix product is read from right to left: the first with a constant coefficient The matrix provided describes a bundle of linearly polarized light with a unit amplitude, the polarization angle of which is -45 ° due to the presence of the polarizer 18.

Die zweite Matrix trägt der Wirkung des Lambda/ ^Λ lertel-Plättchens 20 Rechnung, wobei die optische AcI si parallel zur Bezugdiri: ist. Hierdurch wird eine Phasenverschiebung von 90^J zwischen den parallel und senkrecht zur Bezugslinie gemessenen Komponenten hervorgerufen.The second matrix carrying the lambda / ^Λ lertel-wave plate 20 account the effect which the optical AcI si parallel to Bezugdiri: is. This causes a phase shift of 90 ^J between the components measured parallel and perpendicular to the reference line.

Die dritte Matrix beschreibt die Wirkung der ersten Pockelzelle 22 in F i g. 1 (0° Azimut), welche zwischen den Komponenten des parallel und senkrecht zur Bezugslinie polarisierten Lichtes eine Phasemerschiebung hervorruftThe third matrix describes the effect of the first Pockel cell 22 in FIG. 1 (0 ° azimuth), which is between causes a phase shift in the components of the light polarized parallel and perpendicular to the reference line

Die vierte, mit einem konstanten Koeffizienten versehene Matrix löst das die Pockelzeile22 verlassendeThe fourth matrix, provided with a constant coefficient, solves the one that leaves the Pockel line22

as Licht in Komponenten auf, die bei +45° zur Bezugslinie liegen; di: fJnfe Matrix, die den Einfluß der Pockelzelle 24 in F i g. 1 beschreibt (45° Azimut), führt zwischen jenen Komponenten eine Phassnverschiebungdein.The light in components that are at + 45 ° to the reference line; di: five matrix showing the influence of the Pockel cell 24 in FIG. 1 describes (45 ° azimuth), introduces a phase shift between those components.

Die sechste, mit einem konstanten Koeffizienten versehene Matrix löst das aus der Pockelzelb 24 austretende Licht in Komponenten auf, die paralbl und senkrecht zur Bezugslinie liegen. Die siebte Matrix lost das aus der Pockelzelle 24The sixth matrix, provided with a constant coefficient, resolves the light emerging from the Pockelzelb 24 into components that are paralbl and be perpendicular to the reference line. The seventh matrix solves this from Pockel cell 24

austretende Licht in Komponente auf, di; bezüglich der Bezugslinie bei einem Winkel von +Θ lieg:n, während die achte Matrix di:jer.i*e Komponente auswählt, die der Bezugslinie in dem um θ gedrehten System entspricht Die nzbu und achte Matrix be-outgoing light in component, di; with respect to the reference line lie at an angle of Θ +: n, while the eighth matrix di: jer.i selects * e component, designate the reference line corresponds to in the θ rotated System The nzbu and eighth matrix

4» ziehen sich infolgedessen auf den Einfluß des optisch, aktiven Elements 50, wobei θ die Winkelverdrehung dieses Elementes ist Die Entwicklung des Matrixproduktes fahrt zu:4 »consequently affect the influence of the optically active element 50, where θ is the angular rotation of this element. The development of the matrix product approaches:

sin©{{l + exp(J*)] -J αφ IJe sin © {{l + exp (J *)] -J αφ IJe

κβθ {[-1 + exp(yd)} f JOp[Jt)[\ fκβθ {[-1 + exp (yd)} f JOp [Jt) [\ f

Das Produkt von y mit dessen Komplex-Konjugierterj'* liefert einen Ausdruck für den auf den Detektor 44 fallenden Licht.luß:The product of y with its complex conjugate j '* provides an expression for the light falling on the detector 44.

Ky* = - (1 + sin<Jcose cos2Θ — sine sin2Θ). ^5S Ky * = - (1 + sin <Jcose cos2Θ - sine sin2Θ). ^5S

Das Anlegen sinusförmiger Spannungen an die Pockeizellen 22 und 24 fährt zu einer entsprechenden Moduäierung tier induzierten Phasenverschiebungen Ab und entsprechend fdr sin t und cos e erhält manThe application of sinusoidal voltages to the pock eggs 22 and 24 leads to a corresponding one Modulation of the induced phase shifts Ab and correspondingly fdr sin t and cos e are obtained

entsprechend der nachstehenden Relationen δ — &£sina>/, c = Jk £ cos ω/.corresponding to the following relations δ - & £ sina> /, c = Jk £ cos ω /.

In diesen Beziehungen bedeutet E die Groß: der angelegten Spannung und k eine Konstant:. Wenn E hinreichend klein gemacht wird, so daß gilt:In these relationships E means the large: of the applied voltage and k a constant :. If E is made small enough that:

2Θ)-2Θ) -

pet Ausgang des Detektors 41 besteht nUnmehf aus einern GieiciiStisrnteM» einern ^/ecbsfeislfomietm mit der gleiehen. Frequenz wie €«' Spannungen ai? den The output of the detector 41 now consists of a GieiciiStisrnteM »an ^ / ecbsfeislfomietm with the same. Frequency like € «'voltages ai? the Pockelzellen, die gleieli der ist Ferne?Pockel cells, the same thing is distant?

oeh iitit einef Phasenverschiebung, Vkld!dW142anyway with a phase shift, Vkld! DW142

inkelverdrc!iuhgdjfWo11o42 obenstehetide Ausgaiig desinkelverdrc! iuhgdjfWo11o42 above output of

Detektors 44 zwei kleine Ausdrücke,. vot\i denen dei einediie^reibfreqMehzderPockelzellenündder^ndert * das Dreifache^dieser Frequenz aufweisend wobei die Amplituden yon der Verdrehung der,_AWelle ab* hangen? fein Sperr-und Filterstromkreis^-läßUedig- JS lieh i-das nutzbare Wechselstromsignal passieren,.. d i 'Detector 44 two small expressions ,. Which one of the frictional frequencies of the Pockel cells changes by three times this frequency, with the amplitudes depending on the twisting of the _A shaft? fine blocking and filter circuit ^ -läßUedig- JS borrowed i-pass the usable alternating current signal, .. di '

welches'von.dpr F-ormist;«'which'von.dpr F-ormist; «'

- R sin- R sin

(U(U \i)\ i)

Hierbei ist / -= toß π die Treibfrequenz der Pocket- ίο zellen, θ die Winkelverdrehung der Welle and k' eine Konstante.Here / - = toß π is the drive frequency of the pocket ίο cells, θ is the angular rotation of the shaft and k 'is a constant.

Das nutzbare Ausgangssignal wird vom Filter-Stromkreis 46 einem digital arbeitenden Zeitintervallzähler 48 zugeführt. In diesen Zähler 48 wird ferner auch ein Signal, welches einer der sinusförmigen, an eine der Pockelzellen angelegten Signalspannungen entspricht, eingeleitet, wie dies schematisch in F i g. 1 durch die Linien 52 angedeutet ist, die die Elektroden 32 und 34 der Pockelzelle 22 mit dem Zähler 48 ver- ao binden. Infolgedessen werden dieses Signal sowie die Ausgangssignale der Vorrichtung dazu benutzt, den digitalen Zeitintervallzälher 48 zu betätigen, und das der Phasenverschiebung entsprechende Zeitintervall wird eine lineare Funktion der Winkelverdrehung as der Welle 42.The usable output signal is fed from the filter circuit 46 to a digitally operating time interval counter 48. In this counter 48 is also also a signal which is one of the sinusoidal signal voltages applied to one of the Pockel cells corresponds, initiated, as shown schematically in FIG. 1 is indicated by the lines 52, which the electrodes 32 and 34 of the Pockel cell 22 with the counter 48 ver ao tie. As a result, this signal and the output signals of the device are used to to operate the digital time interval counter 48, and the time interval corresponding to the phase shift becomes a linear function of the angular rotation as of shaft 42.

Die obige Gleichung (1) zeigt, daß eine Verdrehung der Welle von 180° eine Phasenverschiebung von 360° im Ausgangssignal erzeugt. Da 180° 6,48 · 10^s Bogen-Sekunden entsprechen, ist das Zeitintervall/ti, welches einer Verdrehung der Welle 42 über eine Bogensekunde entspricht, gleich:The above equation (1) shows that a rotation of the shaft of 180 ° produces a phase shift of 360 ° in the output signal. Since 180 ° ^{corresponds to 6.48 · 10 s} arc seconds, the time interval / ti, which corresponds to a rotation of the shaft 42 over one arc second, is equal to:

Ai - 1 51 · 10 · f · Ai - f 1 51 · 10 ·

(2)(2)

In dieser Gleichung bedeutet / die Treibfrequenz. Handelsübliche Intervallzähler, wie sie überall verfügbar sind, sind in der Lage, Zeitintervalle von 1 · 10 · Sekunden mit einer Genauigkeit von ± 5 · 10 ^l0 Sekunden aufzulösen. Ein Beispiel für einen solchen Zähler ist das Modell 793 des digitalen Zeitintervall-Zählers, hergestellt von Eldorado Electronics Comp. of Concord, California, USA.In this equation / means the driving frequency. Commercially available interval counter, as they are widely available, are capable of dissolving, time intervals of 1 x 10 x seconds with an accuracy of ± 5 × 10 ^l0 seconds. An example of such a counter is the Model 793 digital time interval counter manufactured by Eldorado Electronics Comp. of Concord, California, USA.

Zur Erhaltung von 10* bis 10⁷ Ablesungen oder Anzcigen/Sck. wird außer dem Zähler 48 ein (nicht dargestellter) Computer verwendet, der zwischen aufcinandcrfolgendcn Ablesungen interpoliert und dabei von der leicht verfügbaren Information über die genaue Geschwindigkeit Gehrauch macht. Der maximale.To maintain 10 * to 10 ⁷ readings or displays / sck. In addition to the counter 48, a computer (not shown) is used which interpolates between successive readings and makes use of the readily available information about the exact speed. The maximum.

hfc »JMihfc »JMi

den Computer nrcnt oescnrankt. tr hangt s° icd^Bch von dcmjco^en Aasmaß ab, in wefcaeia eine ßeschlenntgung innerhalb des betrachteten V₅₄-Sekondcn-lntervaUs stattfindet Ferner ist za beachten, daß die Intcrpolatiodsidilcr nicht komn^iv sind.the computer no longer hurts. tr depends s ^ ° icd Bch of dcmjco ^ en Aasmaß from, in a wefcaeia ßeschlenntgung within the considered _V-54 -Sekondcn lntervaUs takes place is further noted za that the Intcrpolatiodsidilcr not KOMN ^ are iv.

Jn 1- i g. 2 ist die Spanaun_S54 dargestellt, xvdchc s$ ihii an die Pocfcelzc$fe22 und den digitalenJn 1- i g. 2 the Spanaun _S 54 is shown, xvdchc s $ ihii to the Pocfcelzc $ fe22 and the digital

wemra ist wo who is where stellungvder^-Welle;. und_s,zwar;mit^einer Genauigkeit von.0,05 Bogensekünden.v* ,- -position of the ^ -wave ;. and _s , to be sure; with ^ an accuracy of 0.05 arc seconds. v *, - -

: Der Strahlenteiler 38 >undder?Spiegcl 40 in Fig. £ können"'iaisolohen Anwenduhgsfallen entfallen, wo" der Detektor 44 innerhalb defc>ⁱWelle42tOdet in der Nahe des änderen ,!Endes der Welieuintergebracht werden-kann, wobeineine.geei'gnete-Öffnüng'tiurch die Längsachse der Welle vornandenisein nrnüß um das Lichttoundfel 14 passieren*«! läSsen,- Dam- Fachmann ist weiterhin klar, daß der Detektor 44 irgendein optisch-elektrischer Wandler sein kann und daß der digital arbeitende Zähler 48 auch durch eine Analoganzeige ersetzt werden kann.:?.! The beam splitter 38> andthe Spiegcl 40 in Fig £ can '' accounts iaisolohen Anwenduhgsfallen where "the detector 44 within DEFCs> ⁱ Welle42tOdet near the änderen, end of Welieuintergebracht be-can wobeineine.geei'gnete- Open through the longitudinal axis of the shaft in front of you, pass around the light field 14 * «! read, - Dam one skilled in the art it is further clear that the detector 44 can be any opto-electrical converter and that the digitally operating counter 48 can also be replaced by an analog display.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von einer mechanischen Ankupplung unabhängig. Es erfolgt eine echte optische Kupplung zwischen der Vorrichrung und der drelbiren Welle 42. Die Welle trägt einen optischen Wandler 40, der beispielsweise nur 4 mm im Durchmesser und 1,7 mm dick zu sein braucht und ein Gewicht von lediglich 50 mg haben kann. Diese Masse bildet die einzige mechanische Belastung, welcite der rotierenden Welle auferlegt werden muß. Beim Wegfall des Strahlenteilers 38 und des Spiegels 46 kann, falls der Detektor 44 in der Nähe des anderen Endes der Welle aufgestellt wird, dieses Gewicht n.>jn weiter reduziert werden.The device according to the invention is independent of a mechanical coupling. It takes place a real optical coupling between the device and the three-pin shaft 42. The shaft carries an optical converter 40 which, for example, need only be 4 mm in diameter and 1.7 mm thick and can weigh as little as 50 mg. This mass forms the only mechanical load that welcite must be imposed on the rotating shaft. If the beam splitter 38 and the mirror 46 are omitted can if the detector 44 is near the other At the end of the wave, this weight n.> Jn can be further reduced.

Da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung keinerlei Lager eingeschlossen sind, entfallen Torsionskräfte beim Start und Lauf der Vorrichtung. Diese lag;rfr?ie Konstruktion gestattet eine einfache Anpassung i:r Vorrichtung an bereits existierende Anlagen, bei dei.cn der Zugang zuti Ende der drehbaren Welle leicht ht-rgestellt werden kann. Die Welle kann, falls βπνΰη*:Ή, in einiger Entfernang von der eriindungsgemlßen M »·3-vorrichtung lieg».Since no bearings are included in the device according to the invention, there are no torsional forces when starting and running the device. This lay; rfr? Ie Construction allows easy adaptation of the device to existing systems, at dei.cn the access to the end of the rotating shaft can easily be established. The wave can, if βπνΰη *: Ή, at some distance from the M »· 3 device according to the invention.

Es ist zu betonen, daß dis Anzeige lediglich von den Winkelverdrehungen der Welle 42 abhängt. Bewegurv gen des Wandlers, welche durch Spid das Wellenindc> und Auslaufen erzeugt werden, spielen keine RolleIt should be emphasized that the ad is only used by the Angular rotations of the shaft 42 depends. Movement curve gene of the transducer, which by spid the wave indc> and leakage do not matter

Die vorteilhaften Merkmale einer erfindungsg: mäßen interferometrischen Vorrichtung zur Best immung der Winkellagen einer Welle lassen sich wie folgt zusammenfassen:The advantageous features of an invention: The interferometric device for determining the angular positions of a shaft can be as follows summarize:

. ^uenaul?^keit: . ^uenaul ? ^ability:

⁰^ Bogensekunde bei allen Winkeln; unabhängig ^von vorangehenden Drehungen. ⁰ ^ arcsecond at all angles; regardless ^of previous rotations.

Auflösung -Resolution -

₀ j _Bogcnsekunde. ₀ j _{arc second} .

Lectangsemgaag: 39WatLLectangsemgaag: 39WatL

gggg

remitierende, tutsC Arbcitsspamiuag 56 dargcsteHt, v^cl»cvomI>ctckior44ab_Sde_Sc_OD_nd ober den Filterstmmims46 aem ?2hlcr48 «!geleitet wild. Beide Kurven sind be wesentlichen im gleichen Maßstab dargestellt. 1 λ fet crskj-tlidi, daß die Signalspaimung 56 der Antiröbs^anneng 54 um ein Zkätiftöa·' taNcnwvdw^cn ist, wobei diese Phascawrwie /«vor crlätrictl, eine lineare l-mifctttta der Vcrdndranf der Welle 42 r4. 1 Jcr Zähler 48 lidbtt swmö «nc Ajimpc, die dem Intervall 17 pmp<>rj««rml «si. iik-we AnntjK- r4 tqwä>cntativ für die Wtnicl-remitting, tutsC Arbcitsspamiuag 56 shown, v ^ cl "cvomI> ctckior44ab _S de _S c _O D _n d über den Filterstmmims46 aem? 2hlcr48"! directed wild. Both curves are shown to be essentially on the same scale. 1 λ fet crskj-tlidi that the signal spaimung 56 of the antiröbs ^ anneng 54 is around a Zkätiftöa · 'taNcnwvdw ^ cn, whereby this Phascawrwie / «before crlätrictl, a linear l-mifctttta the Vcrdndranf of the wave 42 r4. 1 Jcr counter 48 lidbtt swmö «nc Ajimpc, which corresponds to the interval 17 pmp <> rj« «rml« si. iik-we AnntjK- r4 tqwä> cntativ for the Wtnicl- Torsionskraft beim Start: Keine.Torsional force at start: None.

TtemaAaA barn Befencbt TtemaAaA barn Befencbt

Keine Anzeige-Typ:None Display type:

<tewkht and V«4antcn der Vofiichtnng:<tewkht and V «4antcn of the caution:

Ctcwkht ciwa 45 g; Voiatncnctwa 16,4 cm*außer dctirtMiicn /l 'Ctcwkht ciwa 45 g; Voiatncnct about 16.4 cm * except dctirtMiicn / l '

Gewicht und Volumen der elektronischen Einrichtung: ''. GeMcht 0,45 Vg; Volumen 3500 cm*.'Electronic equipment weight and volume: ''. Might 0.45 Vg; Volume 3500 cm *. '

Lebensdauer:Lifespan:

¹ FJtwa '20' Jahre bei durchschnittlicher Brenndauer "' der Lichtquelle; längere Lebensdauer bei besseren Lichtquellen. ¹ FJtwa '20' years at an average burn time "'the light source; longer life with better light sources.

Nullpunkt (Zero Reference):Zero Reference:

Stabil; ein interner Bezugspunkt wird in der Form einer plötzlichen Phasenverschiebung von O auf 360° vermittelt, wenn die Welle durch die 0- oder 180°-Stellung läuftStable; an internal reference point is in the form a sudden phase shift from O to 360 ° when the wave passes through the 0 or 180 ° position is running

Art der Lager: Keine Lager.Type of bearings: No bearings.

Lebensdauer der Lager: Nicht zutreffend.Lifespan of the bearings: Not applicable.

Betriebstemperatur: -40 bis +45⁰C.Operating temperature: -40 to +45 ⁰ C.

Absolute Messung: Arbeitsbereich: 360°.Absolute measurement: Workspace: 360 °.

Bei der in F i g. 3 dargestellten abgewandelten Vortichtung 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.In the case of the in FIG. 3 shown modified Vorichtung according to the invention are light rays 10, which come from a light source, for example a light bulb 12, to a substantially parallel beam bundle 14 with the help of a collimator or Lens system 16 combined. The bundle 14 penetrates a polarizer 18 which is mounted on the shaft 58 an electrical synchronous motor 60 is arranged and is continuously set in circulation by this. The light beam leaving the polarizer 18 has a polarization direction which is synchronous with the rotation of the motor shaft 58 rotates.

Das rotierende, linear polarisierte Licht aus dem *a Polarisator 18 wird teilweise vom Strahlentöler 38 als Bezugsbündel reflektiert und fällt auf einen Bezugsdetektor 62. Infolgedessen ist der Ausgang des Detektors 62 ein Signal, das die Modulationsfrequenz des rotierenden Polarisationswinkels des Bezugsbündeis darstellt.The rotating, linearly polarized light from the * a Polarizer 18 is partially reflected by de-oiler 38 as a reference beam and falls on reference detector 62. As a result, the output is the Detector 62 a signal representing the modulation frequency of the rotating polarization angle of the reference fret.

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 5© auf einen zweiten Detektor €6, nachdem es von der lShlThe polarized partial beam penetrating the beam splitter 38 is a mirror and Analyzer comprising transducer 40, which is attached to the end of the rotatable shaft 42, reflects and hits 5 © on a second detector € 6 after it is from the lShl

Die Intensität des in den Detektor 66 gelangenden ichtes besiföt die foigende'Form:The intensity of the entering detector 66 It does not have the following form:

cos2o>cos2o>

j'j '

Wenn sich die Welle 42 um einen Winkel θ verdreht hat, wird die zum Detektor 66 gelangende Lichtintensität:When the shaft 42 rotates through an angle θ the light intensity reaching detector 66 will be:

^KIvKIv

j'j '

Somit gibt eine Verdrehung der Welle 42 um einen Winkele eine Verschiebung von 2 θ zwischen denThus, there is a rotation of the shaft 42 by a Winkele θ a shift of 2 between the Lichtintensitäten, welche von den Detektoren 62 und empfangen werden. Diese Phasenverschiebung ist ein MaB für die Winkelstellung der WeUe 42 bezüglich einer Bezugsrichtung. Die am Ausgang der Detektoren 66 und 62 erhaltenen Signale, welche in F i g. 2Light intensities received by detectors 62 and 62. This phase shift is a measure for the angular position of the shaft 42 with respect to a reference direction. The signals obtained at the output of detectors 66 and 62, which are shown in FIG. 2

»0 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.»0 are shown at 54 and 56, respectively, are shifted in phase by an amount of A't and are used in the counter in the same way as in the preceding in connection with the embodiment according to FIG. 1 was described.

Claims

Patent claims:

1. Verfahren zum Bestimmen der Winkelstellung einer Drehwelle mittels lichtelektrischer Hilfskraft, dadurch gekennzeichnet,daßeinLichtstrahl parallel gerichtet und polarisiert und der Polarisationswinkei des Lichtes mit bestimmter Frequenz moduliert wird, daß das polarisierte Licht mittels eines zusammen mit der Weite 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.1. Method for determining the angular position of a rotating shaft by means of a photoelectric auxiliary force, characterized in that a light beam is collimated and polarized and the Polarization angle of the light is modulated with a certain frequency that the polarized light influenced by an optically active element rotating together with the width about its optical axis and a signal corresponding to the angular position of the shaft is obtained in comparison with a reference signal.

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.2. The method according to claim 1, characterized in that the reference signal from the still not influenced and the measurement signal from the influenced polarization angle of the light beam is won.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprach 1 uad/oder 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen (12, 16, 18) zur Erzeugung eines Strahles (14) aus polarisiertem Licht, durch Mittel (22,24) zur Modulation des Polarisationswinkels des Lichtstrahles (14), durch ein optisch3. Device for performing the method according to spoke 1 uad / or 2, characterized by means (12, 16, 18) for generating a beam (14) of polarized light Means (22,24) for modulating the polarization angle of the light beam (14) by an optical

&ä nut der WeUe (42) in Wükverbindung 3.ΏΪ& ä nut der WeUe (42) in Wük connection 3.ΏΪ

g)G)

eft wurde. *was eft. *

Der Wandler 40 sthfießt, wie bereits zuvor im SSaammerihang not Pig. 1 erwähnt, einen Spiegel46The converter 40 flows, as previously in the SSaammerihang not Pig. 1 mentioned, a mirror46

§0 in Form eines Polarisationsfilters oder -Sms be-§0 in the form of a polarization filter or SMS

Die Intensität des zum Detektor 62 gelangenden lichtes ist von folgender Form:The intensity of the detector 62 arriving light is of the following form:

cos2e»f\cos2e »f \

Ia dieser Formel bedeutet I₉ die Intensität des einfallenden lichtes, m die Dtehfrequenz des Polarisators 18 und Jf eine Konstante.Ia of this formula, I _{9 means} the intensity of the incident light, m the frequency of the polarizer 18 and Jf a constant.

teffit and durch eine Meß- and Anzeigeeinrichtung (44, 46, 48) auf die das aus dem optisch aktiven Element gewonnene Meßsignal zum Virgleich rait einem aas dea Modulatiansmittera (22, 24} abgeleiteten Referenzsignal geschaltet ist.teffit and by a measuring and display device (44, 46, 48) to which the measurement signal obtained from the optically active element is raised to match an aas dea modulatiansmittera (22, 24} derived reference signal is connected.

4. Vorrichtung nach Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation des Polarisationswrakels ein Paar PockelzeHen (22,24) vor-4. Apparatus according to claim. 3, characterized in that a pair of PockelzeHen (22,24) are provided for modulating the polarization

5. Vorrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation des Polarisationswinkels ein rotierender Polarisator (118» SS, €0) vorgesehen ist5. Apparatus according to claim, characterized in that a rotating polarizer (118 »SS, € 0) is provided

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeic^et daß in der MeB-uad Anzeigeeinrichtung ein digitaler Zsirintervallzähler (48) vorgesehen ist6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized by the fact that the measuring and display device has a digital Zsirintervallzounter (48) is provided

: 7. Vorrichtung nacheinemderAnsprüche 3 bis 6, dadurch feekennzeichnet, daß ein hinter dem aktiven Element 06) angeordneter, das Licht durch das optisch aktive Element zurück auf die Rückseite eines halbdurchlässigen Strahlenteilers (38) reflektierender Spiegel (46) tittd pine ein erstes aus dem optisch aktiven Element stammendes7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that a mirror (46) which is arranged behind the active element 06) and which reflects the light through the optically active element back onto the back of a semitransparent beam splitter (38) tittd pine a first from the optically active element originating

1010

Meßsignal nut einem zweiten, aus_tden Modulationsmitteln (22,24) stammendes Referenzsignal vergleichende Meß- und Anzeigeeinrichtung (44, 46, 48) vnttmiphrn ist, die des für die WikiMeasuring signal to a second groove, _t from the modulation means (22,24) derived comparative reference signal measurement and display means (44, 46, 48) is vnttmiphrn that of the Wiki

46, 48) ist, die des für die Wiakei46, 48) is that of the Wiakei

stellung der Welle (42) repräsentativen Phasenunterschied (tfi) zwischea diesen beiden Signalen aufzeigt.position of the shaft (42) shows representative phase difference (tfi) between these two signals.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings