DE3307639C2

DE3307639C2 - Optisches Potentiometer

Info

Publication number: DE3307639C2
Application number: DE3307639A
Authority: DE
Inventors: Manfred Knothe; Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg Schmidtke; Lothar Dipl.-Phys. 7835 Tenningen Unger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1983-03-04
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE3307639A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Winkelanzeigeeinrichtung mit einer optischen Messung. Es wird die veränderliche Schwärzung eines Graukeils gemessen, wobei der Graukeil kontinuierlich von 0-360° sich erstreckt. Um an dem Sprung 0 auf 360° genau zu messen, ist im linearen Bereich des Graukeils ein dritter Meßdetektor vorgesehen, wobei bei Annäherung auf den Sprungbereich auf den dritten Detektor umgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Potentiometer mit einem drehbaren Steuerteil, auf dem entlang einer Kreisbahn eine zwischen 0° und 360° in ihren optischen Eigenschaften kontinuierlich variierende Abtastschicht vorgesehen, die mit Hilfe einer Lichtquelle beleuchtet ist und das zu einem Lichtempfänger gelangende Licht entsprechend der Drehstellung des Steuerteils in seiner Intensität moduliert

Ein derartiges optisches Potentiometer ist aus IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 17 No. 4, Sept 1974 bekannt und verfügt über einen Steuerteil in Gestalt einer drehbaren Scheibe, die mit einem einen Drehknopf aufweisenden Schaft verbunden ist. Auf der vom Drehknopf wegweisenden Seite verfügt die Scheibe über eine Abtastschicht in Gestalt einer Reflexionsschicht, deren Reflektivität mit dem Drehwinkel gemäß einer beliebigen funktion variiert. Sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtempfänger sind auf der vom Drehknopf wegweisenden Seite der Scheibe angeordnet Die Reflektivität der Reflexionsschicht schwankt zwischen 0% und 100%, so daß beim Durchdrehen des Drehknopfes des optischen Potentiometers die für die Lichtübertragung von der Lichtquelle zum Lichtempfänger wirksame Reflektivität ausgehend von 0% bei einer Winkelstellung von 0° bis zu einer Reflektivität von 100% bei einer Winkelstellung von 360° steigt. Bei 0° bzw. 360° bedeckt der von der Lichtquelle erzeugte Lichtpunkt jedoch auf der Reflexionsschicht wegen seines endlichen Durchmessers sowohl Bereiche, deren Reflektivität in der Nähe von 100% liegt, als auch Bereiche, deren Reflektivität in der Nähe von 0% liegt. Aus diesem Grunde ergeben sich bei einer Annäherung an den Drehwinkel von 360° bzw. 0° Meßfehler. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das von der Lichtquelle herrührende Licht zur Hälfte mit 0% und zur Hälfte mit 100% reflektiert wird, so daß das Meßsignal im Lichtempfänger einer mittleren Reflektivität von 50% entspricht, ohne daß der einer solchen Reflektivität zugeordnete Drehwinkel von 180° vorliegt. Bei einer geringen Verdrehung des optischen Potentiometers bei ίο einer solchen Stellung innerhalb des kritischen Sprungbereiches werden Meßsignale für sämtliche Winkel zwischen 0° und 360° abgegeben, obwohl lediglich eine geringfügige Winkelstellung erfolgt Aus diesem Grunde ist das bekannte optische Potentiometer nicht geeignet über einen vollen Kreiswinkel von 360° eingesetzt zu werden.

Bei einer auf digitalter Basis arbeitenden Einrichtung zur Längenmessung ist es gemäß der DE-OS 27 30 715 bereits bekannt, zwei Meßstellen für eine optische Maß-Stabsabtastung vorzusehen und an einer Unstetigkeitsstelle auf die nicht im Störbereich liegende Meßstelle umzuschalten. Ein Übergang zwischen einem itiaxirnalen Analogsignal und einem minimalen Analogsignal sowie die damit verbundene Problematik tritt bei der bekannten, zur Winkelmessung nicht geeigneten Einrichtung zur Längenmessung jedoch nicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Potentiometer der eingangs genannten analogen Art so zu verbessern, daß über den gesamten Drehbereich von 360° eine Winkelerfassung fehlerfrei möglich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiterer Lichtempfänger vorgesehen ist, der entlang der Kreisbahn um einen vorherbestimmten Winkelbetrag versetzt angeordnet ist und dessen Meßsignal das Meßsignal des ersten Lichtempfängers ersetzt, wenn mit Hilfe einer Schwellenwertschaltung ein Meßsignal eines vorbestimmten Winkelintervalls erfaßt wird, in dem das Meßsignal des ersten Lichtempfängers durch den Sprungbereich einer MeErehlergefahr ausgesetzt ist

Durch die Verwendung zweier gegeneinander versetzter Lichtempfänger ist sichergestellt, daß sich immer wenigstens einer der beiden Lichtempfänger äußeres halb des kritischen Sprungbereichs befindet Die Schwellenwertschaltung stellt fest, ob der gerade aktive Lichtempfänger dem Sprungbereich angenähert wird, um gegebenenfalls eine Umschaltung auf den anderen Lichtempfänger auszulösen.

Gemäß einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel ist der weitere Lichtempfänger um einen Winkelbetrag von 180° gegenüber dem ersten Lichtempfänger versetzt angeordnet
Die Schwellenwertschaltung löst bei Unterschreiten eines einem Winkel von 5° zugeordneten Meßsignals des ersten Lichtempfängers sowie bei Überschreiten eines einem Winkel von 355° zugeordneten Meßsignals des ersten Lichtempfängers eine Umschaltung auf den zweiten Lichtempfänger aus. Hierdurch ergibt sich, daß vom weiteren oder zweiten Lichtempfänger das Meßsignal im Bereich von 355° bis 5° abgeleitet wird, während der erste Lichtempfänger das Meßsignal für den Bereich von 5° bis 355° liefert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein als Ringteil ausgebildetes Steuerteil mit entsprechend der Drehstellung gleichmäßig zu- oder

ibnehmender Transmission zusammen mit zwei Lichtquellen und zwei Lichtempfängern schematisch in einer Draufsicht,

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung, bei der das Ringteil eine veränderliche Wandstärke zur Intensitätsmodulation aufweist,

F i g. 3 ein Ringteil in einei perspektivischen Ansicht mit einem gewundenen keilförmigen lichtundurchlässigen Plättchen sowie zwei Spaltblenden und

Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines Ringteils mit einem keilförmig ausgesparten Gewindesegment sowie zwei gegeneinander versetzten Blendenöffnungen.

In F i g. 1 ist schematisch eine Anordnung mit zwei Lichtquellen 1 dargestellt, die sich im Innern eines drehbaren Ringteiles 4 befindet Die Lichtquellen 1 sind Punktlichtquellen und können durch handelsübliche Glühlampen geringer elektrischer Leistungen oder LED's oder sonstige Lichtquellen realisiert sein. Der von den Lichtquellen 1 durchstrahlte drehbare Ringteil 4 hat entlang seinem Umfang eine sich verändernde Transmission, was in F i g. I durch die unterschiedlichen Punktdichten angedeutet ist.

Außerhalb des drehbaren Ringteils 4 sind den Lichtquellen 1 zugeordnete Lichtempfänger 2,3 vorgesehen, die entsprechend der Drehstellung des Ringteils 4 in seiner Intensität moduliertes Licht der Lichtquellen 1 empfangen. Selbstverständlich kann die Anordnung auch umgekehrt getroffen sein, so daß die Lichtquellen 1 außerhalb und die Lichtempfänger 2, 3 innerhalb des Ringteils 4 angeordnet sind.

Vorzugsweise ist die Transmission des Ringteils 4 durch einen Graukeil gebildet, wobei ein linearer Anstieg von 0° bis 360° erfolgt Der Anstieg muß allerdings nicht unbedingt linear sein.

Das Licht gelangt von den Lichtquellen 1, die auch durch eine Lichtquelle 1 gebildet sein können, auf den ersten Lichtempfänger 2 (Photonen-Detektor oder Meßdetektor), dessen Strom- oder Spannungsanzeige den Winkel charakterisiert, der z. B. durch Drehen des Ringteils 4 entsteht Die Anordnung gewährleistet dabei eine völlige Berührungsfreiheit der funktioneilen Teile und eine stufenlose, kontinuierliche Anzeige der Winkellage des Drehteils 4 gegenüber den Lichtempfängern 2,3 solange der Sprungbereich zwischen der minimalen Transmission und der maximalen Transmission nicht überschritten wird.

Zusätzlich zu den beiden Lichtempfängern 2,3 ist ein dritter Detektor (Kalibrier-Detektor) vorgesehen, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist und von der Lichtquelle 1 direkt (oder über einen Lichtleiter) bestrahlt wird, um die von der Lichtquelle ausgehenden Schwankungen berücksichtigen zu können.

Für den Übergangsbereich am Transmissionssprung um 0° bzw. 360° oder um 180° ist der zweite gegenüber dem ersten Lichtempfänger 2 im Winkel versetzte Lichtempfänger 3 vorgesehen (vergleiche F i g. 1 bis 4, die durch sägezahnförmige Gestaltungen fortgesetzt werden können). Das Meßsignal des zweiten Lichtempfängers 3 wird in einem vorgegebenen Intervall mit HiI-fe einer Schwellenwertschaltung zur genauen Bestimmung der Winkelstellung im Übergangsbereich herangezogen. Der zweite Lichtempfänger 3 kann z. B. exakt um 180° versetzt angeordnet sein. Bei Unterschreiten von z. B. 5° oder Überschreiten von 355° Anzeige wird vom ersten Lichte.npfänger 2 auf den zweiten Lichtempfänger 3 umgeschaltet, der dann im linearen Bereich des Graukeils mißt, wobei 180° dann 0° bzw. 360° entspricht

Die in der Zeichnung nicht dargestellte elektronische Anzeige kann den jeweiligen Erfordernissen weitgehend angepasst werden. Bei einfacher Auslegung ist mit handelsüblichen Photodioden für die Lichtempfänger 2, 3 und entsprechenden elektronischen Bauelementen ein Dynamikbereich von 1 :10³ realisierbar, was einer Winkelauflösung von weniger 0,5° zwischen 0° bis 360° entspricht

Prinzipiell ist die Elektronik für alle in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele gleich; sie wird allerdings je nach den Genauigkeitsanforderungen oder nach der Wahl bzw. der Anzahl der zu bestimmenden Parameter mehr oder weniger aufwendig..

Wie bereits erwähnt, kann im drehbaren Ringteil 4 statt der beiden Lichtquellen 1 auch eine kleine Lichtquelle 1 im Zentrum angeordnet sein, die das Ringteil 4 mit gleichmäßig zu- oder abnehmender Transmission durchstrahlt Das transmittierte Licht fällt auf die Lichtempfänger 2,3 (z. B. Photodioden), deren Signal, als Maß für die Winkelstellung elektronisch aufbereitet wird. Der Dynamikbereich liegt je nach Ausführung zwischen 1 :10² bis über IrIO³. Der zweite Lichtempfänger 3, der ebenfalls von der Lichtquelle 1 bestrahlt wird ist gegenüber dem ersten Lichtempfänger 2 im Winkel versetzt, so daß auch der Übergangsbereich um 0° bzw. 360° genau bestimmt werden kann.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausffihrungsbeispiel ist ein Ringteil 5 mit gleichmäßig zu- oder abnehmender Transmission als keilförmiges Graufilter aus Glas, Plastik, Keramik oder einem anderen Material ausgebildet Die mechanischen und elektronischen Anordnungen entsprechen denjenigen nach Fi g. 1. Die unterschiedliche Transmission wird jedoch durch die Keilform in der Wandung des Ringteils 5 und nicht durch eine Veränderung der spezifischen Transmission erreicht.

Bei dem in F i g, 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf einem drehbaren Ringteil 6 ein keilförmiges Plättchen 7 aufgebracht (z. B. opto elektrc'ytisch hergestellt aus Nickelfolie), das beim Drehen des Ringes 6 Spaltblcnden 8,9 mehr oder weniger abdeckt und somit eine dem Drehwinkel des Ringteils 6 entsprechende veränderliche Transmission zu den Lichtempfängern 2, 3 hervorruft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein drehbares Ringteil 10 ist in F i g. 4 dargestellt. Das drehbare Ringteil 10 wird von einem keilförmig ausgesparten Gewindesegment 11 gebildet, dem zwei Spaltblenden 12 zugeordnet sind.

Hierau 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Potentiometer mit einem drehbaren Steuerteil, auf dem entlang einer Kreisbahn eine zwischen 0° und 360° in ihren optischen Eigenschaften kontinuierlich variierende Abtastschicht vorgesehen ist, die mit Hilfe einer Lichtquelle beleuchtet ist und das zu einem Lichtempfänger gelangende Licht entsprechend der Drehstellung des Steuerteils in seiner Intensität moduliert, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Lichtempfänger (3) vorgesehen ist, der entlang der Kreisbahn um einen vorherbestimmten Winkelbetrag versetzt angeordnet ist und dessen Meßsignal das Meßsignal des ersten Lichtempfängers (2) ersetzt, wenn mit Hilfe einer Schwellenwertschaltung ein Meßsignal eines vorbestimmten Winkelintervalls erfaßt wird, in dem das Meßsignal des ersten Lichtempfängers (2) durch den Sprungbereich einer Meßfehlergefahr ausgesetzt ist

2. Optisches Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Lichtempfänger (3) um einen Winkelbetrag von 180° gegenüber dem ersten Lichtempfänger (2) versetzt ist

3. Optisches Potentiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Schwellenwertschaltung bei Unterschreiten eines einem Winkel von 5° zugeordneten Meßsignals des ersten Lichtempfängers (2) sowie bei Überschreiten eines einem Winkel von 355° zugeordneten Meßsignals des ersten Lichtempfängers C?) eine Umschaltung auf den weiteren Lichtempfänger (3) auslöst