DE2649898A1 - Optoelektronischer weg- und winkelgeber - Google Patents

Description

• Optoelektronischer Weg- und Winkelgeber
• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Wegen und Winkeln mittels optoelektronischer Abtastung einer Rasterscheibe.
• Üblicherweise werden optische Weg- und Winkelgeber mittels mehrspuriger Abtastung gray-codierter Scheiben durch Lichtquellen und fotoempfindliche Sensoren realisiert.
• Diese Anordnungen haben besonders bei sehr großen Weglängen und hohen Auflösungsforderungen Nachteile: - Der mechanische und elektronische Aufwand steigt rasch an mit der Zahl der benötigten Bits, die mit der vorgegebenen Auflösung und dem notwendigen Variationsbereich (Skalenlänge) in Abhängigkeit von der gewählten Codierung festliegt.
• - Bei großer Weglänge und großem Auflösungsvermögen wird es schwierig, die Anordnung ohne in der Regel kostspielige optische und feinmechanische Maßnahmen in ihren geometrischen Abmessungen klein zu halten.
• - Es besteht keine Möglichkeit, eine bessere Auflösung als der dem am niedrigsten bewerteten Bit entsprechenden Rasterung zu erhalten.
• - Um Fehlmeldungen durch Ausfall des Abtastsignals in einer Spur zu vermeiden, werden entweder redundante Vorrichtungen oder Kontrollmöglichkeiten vorgesehen, für die der Aufwand wiederum mit der Anzahl der notwendigen Spuren steigt.
• - In etlichen Anwendungsfällen wirkt sich bei vielen Abtastspuren der durch die hohe Zahl der zu beleuchtenden Fotosensoren bedingte hohe Leistungsverbrauch sehr negativ aus.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum.Messen von Wegen-und Winkeln mittels optoelektronischer Abtastung'zu schaffen, bei der eine hohe Auflösung mit möglichst wenigen parallelen Spuren erreicht wird.
• Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe geht aus dem Patentanspruch 1 hervor.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben und- erläutert werden.
• Es 'zeigen : Fig. 1 : Die geometrische Anordnung von Rasterscheibe und Fotosensoren Fig, 2 : Das Blockschaltbild der Auswerteelektronik Fig. zu : Die zugehörigen Weg- Spannungsdiagramme Fig,1 veranschaulicht die geometrische Anordnung der nicht empfindlichen Flächen zweier Fotod'ioden (t,2) hinter der in einem Ausschnitt dargestellten beweglichen Rasterscheibe (3), die von vorne durch eine Lichtquelle (4) gleichmäßig angestrahlt wird.
• Hier wird nicht weiter unterschieden, ob sich die Rasterung für die Registrierung.von Wegen auf einer Leiste oder für Drehuinkelmessungen längs des Umfangs einer Kreisscheibe befindet.
• Die lichtempfindlichen Flächen beider Dioden haben die Höhe d und die Breite e. Ihr Abstand zueinander ist gegenüber allen anderen Abmessungen vernachlässigbar klein. Die durchsichtigen Rasterflächen haben mit einer Ausnahme die Höhe b und genau wie die dazwischenliegenden undurchsichtigen Bereiche die Breite a. Die Unterkanten der durchsichtigen Rasterflächen befinden sich auf gleicher Höhe mit den Unterkanten der Diodenflächen (1,2).
• Duroh die Fläche mit der Höhe c wird ein Bezugspunkt innerhalb der Rasterfolge markiert.
• Damit die Anordnung in vorgesehener Weise arbeiten kann, sollen folgende Bedingungen seitens der geometrischen Abmessungen mit genügendem Toleranzabstand eingehalten werden: c größer als d b kleiner als d e kleiner als a Die in Fig.1 dargestellten Größenverhältnisse führen zu guten Ergebnissen.
• Wie Fig.2 zeigt , sind die Fotodioden je mit einem Verstärker(5) verbunden. Wird die Rasterscheibe (3) in Spurrichtung gegenüber den Dioden und der Lichtquelle bewegt, so stehen an den Verstärkerausgangen die wegabhängigen Spannungsverläufe U1 und U2 nach Fig. 3 zur Verfügung. Wenn sich das Rasterfenster -mit der Höhe c vollständig vor der jeweiligen Diode befindet, tritt eine Amplitudenüberhöhung entsprechend der größeren beleuchteten Fläche auf Aus Ul und U2 werden weitere 6 wegabhängige Signale gewonnen.
• Der Spannungskomparator (6) vergleicht die Signale U1 und U2 miteinander und liefert an seinem Ausgang den Spannungsverlauf Ti, der immer dann im Zustand logisch "1" ist, wenn die Spannung U1 größer ist als U2. Es ist von Wichtigkeit, daß der Komparator (6) eine kleine Hysterese aufweist, damit Fehlmessungen vermleden werden2 die sonst dadurch entstehen könnten, daß die Anordnung gerade an einer der Grenzen Ai zum Stillstand kommen könnte.
• Es würden dann undefinierte, auf keinen Fall sinnvoll verwertbare Pegelübergänge im Signal EI stattfinden. Das Maximum der Hysterese ist dadurch festgelegt daß die Übergänge Ai innerhalb des "1"-Bereiches von T2 liegen müssen.
• Die Abstände zwischen den Übergängen Ai und Ai+1 bzw. Bi und Bi+1 des Spannungsverlaufes Ti betragen mit Ausnahme der Strecken von A0 nach Al, Al nach A2 und von A2 nach A3 immer 2a. Die Übergänge li liegen weiterhin mit Ausnahme von Al una A2 in der Mitte zwischen den benachbarten Punkten Bi und Bi-t.
• Der Spannungskomparator (7) liefert dann an seinem Ausgang eine logische "1", wenn U1 und W2 gleichzeitig unter einer festen Schwellenspannung Us liegen. Der Komparator (8) erzeugt das Signal T3, welches sich dann im "1"-Zustand befindet, wenn U2 die feste Schwelle Uo überschritten hat.
• las durch den Komparator (9) erzeugte Signal T4 ist immer dann auf "1", wenn U1 größer ist als U2/3. Der Komparator(10) stellt das Signal T5 zur Verfugung, welches dann im "1"-Zustand ist, wenn U2 größer ist als U1/3.
• Von großem Vorteil für die Genauigkeit der Anordnung ist, daß die Signale T1, T4, T5 jeweils durch Vergleich zwischen U1 und U2 gewonnen werden. Geht man nämlich davon aus, daß monclithisch integrierte Dioden und Verstärker sowie eine einzige Lichtquelle verwendet werden, so sinddie z.B, durch Schwankungen der Beleuchtungsstärke verursachten Amplitudenänderungen für U1 und U2 näherungsweise gleich. Gleichzeitige Amplitudenänderung für U1 und U2 um einen gleichen Faktor wirken sich durch die Art der Schaltung auf die Genauigkeit nicht aus Es muß jedoch sichergestellt sein, daß die durch Vergleich mit einer festen Schwelle erzeugten Signale bestehen bleiben.
• T6 wird mittels der Signale ?3 und T4 in der bistabilen Kippstufe (18) erzeugt. Die monostabile Kippstufe (11) gibt immer dann einen Impuls zur Ansteuerung eines Vor-Rückwärts-Digitalzählers t ab, wenn T Ton "0" nach "1" wechselt und gleichzeitig T2 im Zustand "1" ist.
• nie monostabile kippstufe (12) erzeugt immer dann einen Zählimpuls, wenn T1 von "1" nach "0" geht und gleichzeitig T2 gleich lllft ist.
• T6 bestimmt über die Auswahlachaltung (14) die Zählrichtungszuordnung des Digitalzählers. Wenn T6 den Zustand non eingenommen hat, zählt der Zähler (13) bei jedem Impuls der monostabilen Kippstufe (1t) einen Schritt vorwärts und bei jedem Impuls der monostaeilen Kippstufe (t2) einen Schritt rückwärts.
• Ist T6 im Zustand "1", so hat ein Impuls der monostabilen Kippstufe (11) Abwärtszählen und ein Impuls der monostabilen Kippstufe (12) Aufwärtszählen um einen Schritt zur Folge.
• Die bistabile Kippstufe (19) sorgt dafür, daß nach Einschalten der Betriebsspannung die Weiterverarbeitung oder Anzeige des Zählerstandes so lange gesperrt wird, bis der durch das Rasterfenster der Höhe c definierte Bezugspunkt einmal von Diode (2) erreicht wurde und der Zähler (13) durch T3 auf Null gesetzt wurde.
• ib jetztmentspricht der Zählerstand immer der Anzahl der Rasterschritte, die zwischen Bezugspunkt und Fotodioden liegen.
• Durch T6 wird über eine Anzeige (15) angegeben, in welcher Richtung sich die Rasterscheibe aus der Nullage bewegt hat.
• Die Einheit (16) bildet aus T1, T2, T4 und T5 Interpolationssignale, die durch die Anzeige (i7) dargestellt werden.
• Durch Einsatz weiterer Komparatoren mit geeigneten Schwel-lenwären noch feinere Interpolationsschritte möglich.
• Das beschriebene Meßverfahren wurde bei der Realisierung einer digital anzeigenden Neigungswaage angewandt und experimentell bestätigt.
• Es bieten sich Einsatzmöglichkeiten bei vielen Problemen der Weg- und Winkelmessung, besonders dort , wo eine Rückehr des bewegten Objekts in eine definierte Ruhelage automa-tisch erfolgt.
• Besonders kostensparend dürfte der Einsatz bei Winkelmessungen sein, die sehr große Vielfache von 2# einschließen.
• Der Bereich kann durch Vergrößern der Zählerkapazität ohne große Kosten praktisch beliebig erweitert werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1) Anordnung zur Messung von Wegen und Winkeln mittels. optoelektronischer Abtastung einer Rasterscheibe, dadurch gekennzeichnet daß die Rasterscheibe , die eine einzige Spur von sich abwechselnden Hell-Dunkel-Feldern gleicher Breite aufweist, mittels zweier lichtempfindlicher Sensorflächen abgetastet wird, deren Breite kleiner ist als die Breite eines Hell-Feldes und deren einander zugevtandte Kanten den Abstand eines ganzzahligen ( einschließlich Null) Vielfaches der doppelten Breite des Eellfeldes haben,. daß eine elektronische Auswerteschaltung vorges.ehen ist, die aus den bei der Bewegung der Rasterscheibe gegenüber den Sensorflächen entstehenden wegabhängigen Signalen die Bewegungsrichtung der Rasterscheibe erkennt und daß mittels eines in der Auswerteschaltung vorgesehenen Vor-Rückwärtszählers (13) bevegungsrichtungs'abhängig die Anzahl der an den Sensorflächen vorbeigelaufenen Hell-Dunkel-Felder registriert wird, wobei diese Anzahl ein direktes Maß für den zurückgelegten Weg bzw.

   Winkel ist..
2. 2). Anordnung nachnAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. ein absoluter Bezugswert auf der Rasterscheibe dadurch gewonnen wird, daß nur ein einziges Hell-Feld eine ausreichende Höhe (c) besitzt, um die gesamte Sensorfläche auszuleuchten und daß die damit verbundene Amplitudenüberhöhung gegenüber den anderen Hell-Feldern erkannt und dazu verwendet wird, den Vor-Rückwärts-Zähler in den dem absoluten Bezugswert zugeordneten Zustand zu bringen.
3. 3) Anordnung nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Auflösung der Meßanordnung besser als dem Raster entsprechend erreicht werden kann, indem die nach Verstärkung aus den lichtempfindlichen Sensoren zur Verfügung stehenden Signale Spannungskomparatoren mit geeignet gewählten Schwellen zugeführt und deren iusganssignale und die logischen Verknüpfungen dieser Ausgangssignale zur Interpolation herangezogen werden.
4. 4) Anordnung nach Anspruch 1. und 2,. dadurch gekennzeichnet daß zur Vermeidung von Fehlmessungen der Zählerstand des Vor-Rückwärtszählers erst für eine Anzeige oder weitere Verarbeitung freigegeben wird, nachdem Übereinstimmung mit der Lage des absoluten Bezugspunktes der Rasterscheibe hergestellt ist.