DE2837014A1

DE2837014A1 - Anordnung zur messung des abstandes und der abstandsaenderung zweier relativ zueinander bewegbarer koerper

Info

Publication number: DE2837014A1
Application number: DE19782837014
Authority: DE
Inventors: Hubertus Bettin
Original assignee: Olympia Werke AG
Current assignee: AEG Olympia Office GmbH
Priority date: 1978-08-24
Filing date: 1978-08-24
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2837014C3; DE2837014B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff
des Anspruchs l angegebenen Art.
Ultraschall-Meßverfahren zur Ermittlung von Abständen und Abstandsänderungen sind z. B. vom Prinzip des Echolotes her bekannt, nachdem ein Sender Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt, die nach Durchlaufen der Meßstrecke reflektiert und zu einem Empfänger gelenkt werden. Die zwischen dem Aussenden und dem Empfang verstrichene Zeit wird gemessen und stellt ein Maß für die Länge der Meßstrecke dar werden die Impulse in rascher Folge ausgesendet, so kann anhand der sich verändernden Laufzeiten auch eine Abstands änderung dargestellt werden, und schließlich kann durch Aufzeichnung der Laufzeiten über einer Zeitachse auch noch ein Maß für die Geschwindigkeit der Abstandsänderung gewonnen werden.
Diese Verfahren sind zwar zuverlässig, aber nur für grobe Teilungen der Meßstrecke geeignet. Mit ihrer Hilfe die auf Millimeter oder Bruchteile von Millimetern genaue Positionierung zweier relativ zueinander bewegbarer Körper,. z. B. des Schlittens einer Werkzeugmaschine oder einer Bromaschine in bezug auf eine Äusgangstellung, vorzunehmen, ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und ein störsicheres und zuverlässiges Messen mit feiner Teilung und großer Genauigkeit gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine universell in Maschinen verschiedenster Art einsetzbare Anordnung geschaffen ist, deren mechanischer und schaltungsmäßiger Aufbau denkbar einfach ist, der aber ein exaktes und reproduzierbares Messen von Abständen zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Körper mit feinen Teilungen ermöglicht. Daneben weist sie eine hohe Störsicherheit gegen äußere Einflüsse auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 ist es nicht nur möglich, Abstandsänderungen in ihrer Größe zu erfassen, sondern auch die Geschwindigkeit, in der eine Abstandsänderung erfolgt. Damit lassen sich einfach auswertbare Kriterien für Steuer- und Regelzwecke für z. B. den Antrieb der bewegten Körper gewinnen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Senders oder Empfängers, Figur 3 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles, - Figur 4 das Blockschaltbild eises zweiten Ausführungsbeispieles, Figur 5 das Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbei spieles und Figur 6 das Blockschaltbild eines vierten Aus1~ührunysbeispieles.
Die Anordnung nach Figur 1 besteht aus einem Stab 1 aus einem Material mit magnetostriktiven Eigenschaften als Ultraschallleiter. Der Stab 1 ist an seinen Enden in Dämpfungselementen 2, 3 gelagert, um Reflexionen der Ultraschallwellen zu vermeiden.
An einer Stelle des Stabes ist ein Ultraschallsender 4 - im folgenden Sender genannt -, an einer anderen Stelle ein Ultraschallempfänger 5 - im folgenden Empfänger genannt - angeordnet, von denen mindestens einer parallel zu dem Stab 1 verschiebbar ist (im Beispiel der Figur 1 der Sender 4 in Richtung der Pfeile A, B).
Sowohl Sender 4 als auch Empfänger 5 sind gemäß Figur 2 aufgebaut. Der aus Nickel, Stahl oder einer anderen Legierung mit magnetostriktiven Eigenschaften bestehende Stab 1 ist von einer kleinen Spule 6 umgeben, während parallel dazu ein kleiner Dauermagnet 7 zur Erzeugung einer Vormagnetisierung angeordnet ist. Ein Stromimpuls in der Spule 6 erzeugt im Stab 1 ein momentanes axiales Magnetfeld, das durch den magnetostriktiven Effekt eine mechanische Längsverformung im Stab 1 bewirkt. Die r.echanischen Verformungen durchlaufen den Stab 1 mit Schallgeschwindigkeit und bewirken beim Passieren der Spule 6 im Empfänger 5 eine Änderung der magnetischen Feldstärke. Dadurch wird eine elektrische Spannung in der Spule 6 des Empfängers 5 induziert.
Sender 4 und Empfänger 5 sind durch in den folgenden Figuren beispielsweise gezeigte elektrische Schaltungsanordnungen derart verbunden, daß sich aus der Laufzeit und den Laufzeitänderungen zwischen ausgesendeten Signalen und empfangenen Signalen der Abstand zwischen Sender 4 und Empfänger 5, die Geschwindigkeit von Abstandsänderungen und der Betrag der Abstandsänderung ermitteln lassen. Der Sender 4 kann z. B. auf dem Schlitten einer Werkzeugmaschine oder dem Druckwerkswagen einer Büromaschine angeordnet oder mit diesem so gekoppelt sein, ae er einer dessen Verschiebung proportionale Bewegung entlang des Stabes 1 ausführt, während der Empfänger 5 fest mit dem Maschinengestell verbunden ist.
Figur 3 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel zur Xrmittlun: des Abstandes und von Abstandsänderungen zwischen Sender 4 und Empfänger 5. Der Stab 1 ist hier nur auf einer Seite in einem Dämpfungselement 2 gelagert, da die einseitige Dämpfung im allgemeinen zur Vermeidung von Reflexionen ausreicht. Ein Oszillator 10 schwingt mit einer Frequenz von z. B. 5,1 MHz, was einer Schallwellenlänge von einem Millimeter in einem Stab 1 aus Nickel oder Stahl entspricht. Ein Zähler 11, der Zählsteller.
in einer der Länge des Stabes 1 (Meßstrecke) entsprechenden Anzahl aufweist, wird mit der Oszillatorfrequenz gezählt und gibt bei Durchgang durch die Zählstelle Null über einen Impulstormer 9 einen Stromimpuls auf den Sender 4. Während der Zähler 11 mit 5,1 MHz weiterzählt, wird nach Verstreichen der Laufzeit des Schallsignales im Stab 1 ein Ultraschallimpuls im Empfänger > empfangen. Das in der Spule 6 des Empfängers 5 induzierte Signal bewirkt über einen Impulsformer 8, daß ein Speicher 12 den Stand des Zählers 11 übernimmt.
Dieser Zählerstand stellt ein direktes Maß des Abstandes zwischen Sender 4 und Empfänger 5 in Millimetern dar und kann z. B.
durch eine Anzeigeeinheit 13 ausgegeben werden. Da jeder erneute Nulldurchgang des Zählers 11 einen Sendeimpuls auslöst, kann' auf der Anzeigeeinheit auch die jeweilige Änderung des Abstandes abgelesen werden.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist wiederum ein mit 5,1 MHz schwingender Oszillator 10 vorgesehen, dessen Frequenz durch einen nachfolgenden Frequenz teiler 14 durch 8 geteilt und damit auf 674,5 kHz herabgesetzt wird. Diese niedrigere, mit der höheren Oszillatorfrequenz ph-asenstarre Frequenz wird vor.
Sender 4 als Ultraschallwelle abgestrahlt. Die nach Verstreichen der Laufzeit im Stab 1 in der Spule des Empfängers 5 induzierten Signale gelangen zu einer Phasenvergleichsstufe 15, wo die Phasenlage mit der der Signale des Oszillators 10 verglichen wird.
Am Ausgang der Phasenvergleichsstufe 15 erhält man bei jeder Änderung des Abstandes zwischen Sender 4 und Empfänger 5 in der Größe der der Oszillatorfrequenz von 5,1 MHz entsprechenden Schallwellenlänge von einem Millimeter eine Sinusschwingung.
Die Frequenz der Schwingungen am Ausgang 16 der Phasenvergleichsstufe 15 ist ein direktes Maß der Geschwindigkeit der Abstandsänderung zwischen Sender 4 und Empfänger 5, und die Anzahl der Schwingungen ist ein Maß für den Betrag der Abstandsänderung.
Aus den zur einwandfreien Funktion von Sender 4 und Empfänger 5 einzuhaltenden Bedingungen, daß sowohl der Durchmesser des Stabes l als auch die Länge der Sende- und Empfangsspule kleiner sein muß als die Schallwellenlänge, andererseits aber die Dämpfung der Ultraschallwelle mit Verringerung des Durchmessers des Stabes 1 zunimmt und die Spulen nicht beliebig verkleinert werden können, ergibt sich eine praktische Ausführbarkeitsgrenze bei einer Schallfrequenz von 1 NHz. Die dem Stab 1 mitgeteilten Signale sollten demnach zweckmäßigerweise vom Sender 4 mit einer unter 1 MHz liegenden Frequenz abgegeben werden. Zu diesen Zweck war im Beispiel der Figur. 4 der Frequenzteiler 14 vorgesehen.
In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das im wesentlichen dem der Figur 4 entspricht, bei dem sich aber die meßbare Teilung des Verschiebungsweges des Senders 4 verändern läßt.
Eine solche Einrichtung kann dort zweckmäßig sein, wo z. B.
von einer Millimeterteilung auf eine Zollteilung umgeschaltet werden soll oder wo bei z. B. Schreibmaschinen die Typenabstnie variiert werden sollen. Grundsätzlich ist das zwar auch bei Figur 4 durch Änderung der Frequenz des Oszillators 10 möglich, doch ergeben sich Schwierigkeiten, weil Sender 4 und Empfänger 5 dann nicht auf eine Frequenz abgestimmt werden können. Diese Schwierigkeit wird durch das Beispiel der Figur 5 vermieden, weshalb sich der Aufbau von Sender 4 und Empfänger 5 sehr stark vereinfachen lassen.
Ein Oszillator 17 schwingt mit einer niedrigeren, unter 1 MEiz liegenden Frequenz und veranlaßt den Sender 4 zur Mitteilung von Impulsen an den Stab 1, die nach ihrer dem Abstand entsprechenden Laufzeit vom Empfänger 5 registriert werden. Ein spannungsgesteuerter Oszillator 19, dessen Ausgang einem durch eine Stelleinrichtung 21 einstellbaren Frequenzteiler 20 zugeführt wird, wird über eine Phasenvergleichsstufe 18, deren Eingänge von dem die niedrigere Frequenz liefernden Oszillator 17 und vom Ausgang des einstellbaren Frequenzteilers 20 gebildet werden, phasenstarr mit der niedrigeren Frequenz des Oszillators 17 gehalten. Die vom spannungsgesteuerten Oszillator 19 gelieferte höhere Frequenz, deren Größe vom einstellbaren Frequenzteiler bestimnt wird, wird gemeinsam mit den Ausgangssignalen des Empfängers 5 einer Phasenvergleichsstufe 15 zugeführt, an deren Ausgang 1 wiederum - wie im Beispiel der Figur 4 - die der Geschwindigkeit der Abstandsänderung entsprechende Schwingungsfrequenz abgenommen werden kann, wobei die Anzahl der Schwingungen den vom Sender 4 während seiner Verschiebebewegung zurückgelegten Teilungseinheiten entspricht, die durch den einstellbaren Frequenzteiler 20 vorgegeben sind.
Bei sehr kleinen Teilungen kann der große Abstand zwischen der Frequenz des Senders 4 und der-des Oszillators 10 (in Figur 4) zu Ungenauigkelten führen. Figur 6 zeigt deshalb eine für diesen Anwendungsfall geeignete Anordnung. Sie zeigt einen im wesentlichen der Figur 4 entsprechenden Schaltungsaufbau, wobei wiederum die von einem Oszillator 10 gelieferte höhere Frequenz mittels eines Frequenzteilers 14 auf eine'für die Übertragung im Stab 1 geeignete Frequenz herabgesetzt wird. Diese niedrigere Frequenz wird vom Sender 4 dem Stab 1 mitgeteilt und nach der Laufzeit der Schallwellen vom Empfänger 5 registriert. Zwischen Empfänger 5 und Phasenvergleichsstufe 15, der die Frequenz des Oszillators 10 zugeführt -wird, ist eine Frequenz-Vervielfacherstufe angeordnet, die aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 23,'einem Frequenzteiler 24 und einer Phasenvergleichsstufe 22 besteht. Mit Hilfe dieser Frequenz-Vervielfacherstufe werden die mit der Frequenz der in Stab eintreffenden Schallwellen vom Empfänger 5 abgegebenen Signale phasenstarr auf die Frequenz des Oszillators 10 vervielfacht.-Der Vergleich der Phasenlage der Oszillatorfrequenz mit der aus der Frequenz-Vervielfacherstufe ergibt in der zu den vorhergehenden Figuren schon beschriebenen Weise bei Verschiebung des Senders 4 und dadurch hervorgerufener Phasenungleichheit in der Phasenvergleichsstufe 15 Signale an deren Ausgang 16, die zur Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkeit und der zurückgelegten Strecke ausgewertet werden können. Mit dieser Anordnung lassen sich, abhängig von der Frequenz des Oszillators 10, Messungen auch in sehr feinen Teilungen durchführen.

Claims

Anordnung zur Messung des Abstandes und der Abstands änderung zweier relativ zueinander bewegbarer Körper Patentansprüche: 1. Anordnung zur Messung des Abstandes und der Abstandsänderung zweier relativ zueinander bewegbarer Körper mit Hilfe eines Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugenden Senders und eines die Schwingungen nach deren Laufzeit registrierenden Empfängers, wobei die Laufzeit gemessen wird und ein Maß für den Abstand bildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sender (4) mit dem einen und der Empfänger -(5) mit dem zweiten Körper derart gekoppelt ist, daß sie eine der Relativbewegung der Körper proportionale Bewegung ausführen, und daß ein die Ultraschallschwingungen leitender Stab (1) aus einem Material mit magnetostriktiven Eigenschaften vorgesehen und derart angeordnet ist, daß ihm Schwingungen vom Sender mitteilbar und vom Empfänger registrierbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein Oszillator (10) für die Erzeugung von Signalen mit einer Frequenz vorgesehen ist, die der einer gewünschten Abst-andsteilung entsprechenden Wellenlänge der Schwingungen im Stab (1) entspricht, daß eine mit der Oszillatorfrequenz betreibbare Zählschaltung (11) vorgesehen ist, die derart mit dem Sender verbunden ist, daß deren Durchgang durch eine Anfangs-Zahlstellung den Sender (4) zur Erzeugung einer Schwingung im Stab veranlaßt, und daß der Empfänger (5) bei Registrierung der Schwingung ein die Ausgabe des Zählerstandes bewirkendes Signal abgibt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein mit der Zählschaltung (11) wirkverbundener Speicher (12) zur Aufnah:ne des Zählstandes vorgesehen ist, dem Übernahmebefehle vom Empfänger (5) über einen Impulsformer (8) zuführbar sind, und daß zwischen der Zählschaltung und de Sender (4) ein weiterer Impulsformer (9) angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e.n n z e i c h n e t , daß eine Schaltungsanordnung (10, 14; 17 bis 21) zur Erzeugung von Signalen einer ersten, niedrigeren Frequenz und einer zweiten, ha;eren, mit der ersten phasenstarren Frequenz derart mit dem Sender (4) und einer Phasenvergleichsstufe (15) verbunden ist, daß die Signale erster, niedrigerer Frequenz dem Sender und die zweiten, höherer Frequenz zusaml,en mit vom Empfänger (5) abgebbaren Signalen der Phasenvergleichsstufe zuführbar sind, an der bei durch die Relativbewegung der beiden Körper hervorgerufener Differenz der Phasenlagen Ausgangsignale abnehmbar sind, deren Frequenz ein Maß für die Geschwindigkeit der Abstandsänderung und deren Anzahl ein Maß für den Betrag der Ahstandsänderung bilden.
5. Anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß ein Oszillator t1C) zur Erzeugung der Signale zweiter, höherer Frequenz und ein mit dessen Ausgang verbundener Frequenzteiler (14) zur Gewinnung der Signale erster, niedrigerer Frequenz aus der Oszillatorfrequenz vorgesehen sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e.n n z e i c h n e t , daß ein Oszillator (17) zur Erzeugung der Signale erster, niedrigerer Frequenz una eine mit dessen Ausgang verbundene Frequenz-Vervielfacherstufe (18 bis 21) zur Erzeugung der Signale zweiter, höherer Frequenz vorgesehen ist, deren Frequenz einstellbar ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz-Vervielfacherstufe aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (19), einem einstellbaren Frequenzteiler (20, 21) und einem Phasenkomparator (18) besteht, dem die Signale erster, niedrigerer Frequenz und der Ausgang des einstellbaren Frequenzteilers zuführbar sind und dessen Ausgang mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, und daß der Ausgang des Oszillators sowohlfmjit dem Eingang des Frequenzteilers als auch mit der Phasenvergleichsstufe (15 verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Empfänger (5) und Phasenvergleichsstufe (15) eine Fresuenz-Vervielfacherstufe (22, 23, 24) angeordnet ist, von der die Frequenz der vom Empfänger abgegebenen Signale auf eine höhere Frequenz vervielfacht wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, d a.d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Frequenz-Vervielfacherstufe aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (23), einem Frequenzteiler (24) und einem Phasenkomparator (22) besteht, dem die vom Empfänger (5) abgegebenen Signale und der Ausgang des Frequenzteilers zuführbar sind und dessen Ausgang mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist und daß der Ausgang des Oszillators sowohl mit dem Eingang des Frequenzteilers als auch mit der Phasenvergleichsstufe (15) verbunden ist.
10. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Sender (4) und Empfänger (5) jeweils aus einer den Stab (l) umgebenden Spule (6) bestehen, zu denen jeweils ein Dauermagnet (7) zur Erzeugung einer Vormagnetisierung parallel angeordnet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Länge sowohl der Senderspule als auch der Empfängerspule kleiner als die Länge einer Schwingung im Stab (1) ist.
12. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n. e t , daß der Durchmesser des Stabes (1) kleiner åls die Länge einer Schwingung ist.
13. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens an einem Ende des Stabes (1) ein Dämp-ungselement (2, 3) zur Vermeidung von Reflexipnen angeordnet ist.