DE29508487U1 - Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei Körpern - Google Patents
Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei KörpernInfo
- Publication number
- DE29508487U1 DE29508487U1 DE29508487U DE29508487U DE29508487U1 DE 29508487 U1 DE29508487 U1 DE 29508487U1 DE 29508487 U DE29508487 U DE 29508487U DE 29508487 U DE29508487 U DE 29508487U DE 29508487 U1 DE29508487 U1 DE 29508487U1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- light
- contactless
- polarizing filter
- light beam
- angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 10
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 5
- 230000037237 body shape Effects 0.000 claims 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
- G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
- G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves
- G01D3/0365—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves the undesired influence being measured using a separate sensor, which produces an influence related signal
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation
- G01D5/345—Polarising encoders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
- G01L3/12—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Messung kleiner Winkel nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Christof Rohrbach [Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag,
Düsseldorf 1967, S 519] beschreibt eine optische Methode der Winkelmessung an drehenden Wellen, wobei Licht durch Scheiben mit gleichbreiten Nuten am Umfang fällt,
so daß das Tastverhältnis zwischen Hell- und Dunkelphasen der Winkelverschiebung
zwischen den Scheiben proportional ist. Diese Methode erlaubt nur dann eine analoge
Auswertung im Stillstand, wenn die Beleuchtungsfläche ein ganzzahliges Vielfaches des
Nutenabstands bildet und homogen ausgeleuchtet ist. Zudem ist eine hohe Fertigungsgenauigkeit der Nutenscheiben erforderlich.
Der Verdrehwinkel zwischen zwei Polfilterscheiben oder zwischen einer Polfilterscheibe
und einem polarisierendem Medium (Flüssigkristall) wird derzeit für die Helligkeitsjustierung in optischen Geräten und Anzeigen genutzt, nicht jedoch zu
meßtechnischen Zwecken.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
berührungslos kleine Verdrehwinkel zwischen zwei Körpern zu messen. Die Messung soll
auch dann möglich sein, wenn die Körper relativ zum Meßsystem rotieren.
Dieses Problem wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Anspruch 2
beschreibt die Anwendung auf das Problem der Drehmomentmessung, während Anspruch
3,4,5 und 6 eine vorteilhafte Gestaltung der Lichtquelle und des Empfängers bezeichnen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß Sie eine Messung des
Verdrehwinkels zwischen zwei Körpern ermöglicht, unabhängig ob diese rotieren oder
nicht. Der Aufwand zur Messung ist gering, und kann mithilfe von Leuchtdioden und
Photodioden mit eingebautem oder externen Operationsverstärker leicht verwirklicht
werden. Auch integrierte Bausteine mit digitalem Ausgang sind verwendbar. Das
Meßprinzip ist nicht temperaturabhängig. Lediglich die Temperaturabhängigkeit der
Meßelektronik und der Lichtquelle müssen Berücksichtigt werden. Im Gegensatz zum oben
genannten optischen Meßprinzip ist die Präzision völlig unabhängig von der Baugröße,
und erlaubt Messungen auf engstem Raum.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert.
Bild 1 zeigt den prinzipiellen optischen Aufbau für eine einfache Winkelmessung. Im
Strahlengang einer unpolarisierten Lichtquelle 1 befinden sich zwei Polfilterscheiben 2 und
3. Die erste Polfilterscheibe 2 gibt die Polarisierungsrichtung und damit die Referenz des
zu messenden Winkels vor. Die zweite Polfilterscheibe 3 schwächt den polarisierten Strahl
in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel &agr; ihrer Polarisierungsrichtung zur ersten Polfilterscheibe. Der Photoempfänger 4 mißt die Lichtintensität. Es entsteht ein
Lichtintensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel &agr; wie er qualitativ in Bild 2
gezeigt wird. Eindeutigkeit besteht demnach maximal über einen Bereich von 90°.
Bild 3 und 4 zeigen mögliche Gestaltungen am Beispiel der Drehmomentmesssung. Bild 3
kann entnommen werden, daß der Lichtstrahl bei großer Länge der Torsionsfeder lange
Wege zurüchlegen muß, was hohe Ansprüche an die Bündelung der Lichtquelle stellt.
Dieses Problem kann mechanisch gelöst werden, z.B. indem eine Hülse über der Torsionsfeder geführt wird, die mit einem Ende der Feder verbunden ist, sodaß beide
Polfilterscheiben nahe beieinander plaziert werden können. Eine optische Lösung nach
Anspruch 3 besteht darin, daß die Strecke mit einem polarisierungserhaltenden Lichtwellenleiter überbrückt wird. Dadurch kann die Anordnung auch den Verdrehwinkel
an einem langen Antriebsstrang messen.
Bild 4 zeigt eine mögliche Lösung nach Anspruch 4, etwa zum Einbau in Zahnräder. Das
Zahnrad 5 ist auf der Welle 6 drehbar gelagert. Am Wellenende ist die Polfilterscheibe 3
mit verspiegelter Rückseite montiert, während das Zahnrad die zweite Polfilterscheibe
mittels eines Steges fragt. Vier tangential angeordnete Spiralfedern bilden die
Torsionsfeder. Der Lichtstrahl wird nach dem Durchgang durch beide Filterscheiben
reflektiert, und passiert die Anordnung danach nochmals. Dieser Aufbau erlaubt eine
einfache Trennung der mechanischen und optoelektronischen Komponenten, sowie einen
kompakten Aufbau.
Bild 5 zeigt eine einfache Schaltungslösung nach Anspruch 3 mit einer Leuchtdiode als
Lichtquelle und einer Photodiode mit nachgeschaltetem Stromverstärker als Empfänger. .
solche Empfänger sind auch in integrierter Form erhältlich. Bild 6 zeigt eine
Schaltungslösung nach Anspruch 5, die eine elektrische Einstellung des Nullpunktes
ermöglicht. Durch die Symmetrie der Schaltung wird der thermische Fehler des Photoempfängers klein gehalten.
Bedingt durch das Meßprinzip ist die Ausgangsspannung der Meßanordnung nicht linear
zum Verdrehwinkel sondern verhält sich wie der quadrierte Cosinus des Winkels. Diese
Funktion besitzt jedoch einen leidlich linearen Abschnitt bei Winkeln von (2n-l)45°. Dies
sind geeignete Arbeitspunkte für die Meßanordnung. Ist der Winkelausschlag um diesem
Arbeitspunkt kleiner als 2,5°, bleibt die Linearitätsabweichung unter 1%. Dies ist ein
realistischer Arbeitsbereich für eine Torsionsfeder. Kleinere Linearitätsabweichungen
können durch stärkere Einschränkung des Winkelbereichs erreicht werden, wobei kleinere
Signalamplituden, stärkere Rauschanteile und höherer Temperaturdrift in kauf genommen
werden müssen. Möglich ist auch eine Linearisierung mit einem inversen Sinusformer.
Weitere Fehlerquellen entstehen aus den Fehlern der optischen Komponenten. So ist das
Meßprinzip auf eine polarisationsfreie Lichtquelle angewiesen, und der Photoempfänger
muß in seiner Empfindlichkeit unabhängig von der Polarisierungsrichtung sein.
Anordnungen mit wechselndem Meßort, wie die in Bild 3 gezeigt, sind auf die
Homogenität der Polarisierung der Filterscheiben angewiesen. Solche Fehler können durch
Anordnungen mit konstantem Meßort, wie die Lösung in Bild 4, vermieden werden. Fehler
bei Anordnungen nach Bild 3 können kompensiert werden, indem die Messungen an
verschiedenen Orten am Scheibenumfang vorgenommen werden, und die Ergebnisse gemittelt werden. Experimente mit preiswerten Polfiltera zeigen Fehler mit einer
Periodizität von 180°, so daß zwei gemittelte Messungen mit einem Winkel von 90°
zueinander eine deutliche Verbesserung bringen.
Claims (6)
1. Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei
Körpern,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Körper die Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls prägt, etwa indem er mit
einer lineare Polfüterscheibe versehen ist oder eine linear polarisierte Lichtquelle trägt, daß
der zweite Körper mit einer Polfilterscheiben versehen ist, die in Abhängigkeit vom
Verdrehwinkel zwischen den Körpern den Lichtstrahl schwächt, und daß die Lichtschwächung
als Maß für den Verdrehwinkel dient.
2. Berührungsloser Winkelmesser nach Anspruch 1 zur Messung des Torsionswinkels an
einer Torsionsfeder,
dadurch gekennzeichnet,
daß Polfilterscheiben an den Enden einer Torsionsfeder befestigt sind und die Schwächung
eines unpolarisierten Lichtstrahls, der durch beide Polfilter tritt, als Maß für das anliegende
Torsionmoment dient.
3. Berührungsloser Winkelmesser nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Strecke zwischen den Polfilterscheiben mit einem polaritätserhaltendem
Lichtleiter überbrückt wird.
4. Berührungsloser Winkelmesser nach Schutzanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtstrahl nach der zweiten Polfilterscheibe reflektiert wird, und der Lichtstrahl
die Anordnung nochmals rückwärts durchläuft.
5. Berührungsloser Winkelmesser nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle von einer Leuchtdiode gebildet wird und die Lichtschwächung mit
einer Photodiode gemessen wird.
6. Berührungsloser Winkelmesser nach Schutzanspruch 1 oder 2 und 3 mit einstellbarem
Nullpunkt und Temperaturkompensation,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenz der Ströme zweier Photodioden gemessen wird, wobei eine Photodiode
das Licht empfängt, das durch die zwei Polfilter tritt, während die zweite Photodiode das
Licht einer Leuchtdiode empfängt, deren Betriebsstrom einstellbar ist, und beide
Photodioden thermisch gekoppelt sind.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29508487U DE29508487U1 (de) | 1995-05-22 | 1995-05-22 | Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei Körpern |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29508487U DE29508487U1 (de) | 1995-05-22 | 1995-05-22 | Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei Körpern |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29508487U1 true DE29508487U1 (de) | 1996-09-19 |
Family
ID=8008417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29508487U Expired - Lifetime DE29508487U1 (de) | 1995-05-22 | 1995-05-22 | Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei Körpern |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29508487U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2828278A1 (fr) * | 2001-08-01 | 2003-02-07 | Renault | Capteur de deplacement angulaire et son application dans une direction assistee pour vehicule automobile |
-
1995
- 1995-05-22 DE DE29508487U patent/DE29508487U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2828278A1 (fr) * | 2001-08-01 | 2003-02-07 | Renault | Capteur de deplacement angulaire et son application dans une direction assistee pour vehicule automobile |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102008003026B4 (de) | Lasersensorvorrichtung zur Detektion eines Getriebewellendrehmoments | |
| DE602004000155T2 (de) | Absoluter optischer Positionkodierer mit faseroptischem Sensorkopf und mindestens zwei Skalen | |
| EP0006530A1 (de) | Faseroptisches Temperaturmessgerät | |
| DE3733549C2 (de) | ||
| DE2806777C2 (de) | ||
| DE69127497T2 (de) | Dopplergeschwindigkeitsmesser | |
| DE102009022712A1 (de) | Torsionswinkelsensor | |
| DE3812334A1 (de) | Interferometrische einrichtung | |
| DE2650422B1 (de) | Abstandsmessgeraet | |
| DE29508487U1 (de) | Einrichtung zur berührungslosen, optischen Messung kleiner Winkel zwischen zwei Körpern | |
| DE2919699C2 (de) | ||
| DE3415855A1 (de) | Faseroptische messeinrichtung zur erfassung einer an einem bauelement auftretenden zugspannung oder biegung | |
| DE3311945C2 (de) | Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln | |
| DE3906119C2 (de) | Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede | |
| DE3803853A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur rollwinkelmessung an beweglichen maschinenteilen | |
| DE4100773C2 (de) | Interferometrische Längenmeßeinrichtung | |
| DE3129847A1 (de) | "verfahren und anordnung zur messung mechanischer groessen" | |
| WO2002088013A1 (de) | Fadenspannungsmesser, basierend auf einem fotolastischen messprinzip | |
| DE3802335C1 (en) | Device for determining the speed of an object | |
| EP0229307B1 (de) | Einrichtung zur Auswertung der Lage und Intensität eines Lichtflecks | |
| DD201191A1 (de) | Kippinvariantes interferometer mit ebenen spiegeln | |
| EP0008363B1 (de) | Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Übertragung von polarisiertem Licht durch eine Lichtleitfaser und magnetooptischer Strommesswandler, bei dem das Verfahren angewandt wird | |
| DE2924438C3 (de) | Polarimeter | |
| DE3426981C2 (de) | ||
| DE2223054C3 (de) | Meßanordnung zur Kraftmessung |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19961031 |
|
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MOSLER, LUEDER, DR. ING., DE Free format text: FORMER OWNER: MOSLER, LUEDER, 38106 BRAUNSCHWEIG, DE Effective date: 19970708 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19990330 |
|
| R157 | Lapse of ip right after 6 years |
Effective date: 20020301 |