DE3309780A1 - Einrichtung zur bestimmung des ortes bzw. der ortsaenderung eines lagegebers - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Bestimmung des Ortes bzw. der Ortsänderung
• eines Lagegebers Stand der Technik Bekannt sind elektrische Meßgeräte zur trägheitslosen Messung des Ortes und/oder der Ortsänderung eines Körpers unter Verwendung magnetischer Dipole als Lagegeber und einer Sensoreinrichtung aus räumlich angeordneten Halbleiterkörpern (DE-AS 10 13 880).
• Aufgabe Der in Anspruch 1 beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur Bestimmung des Ortes bzw. der Ortsveränderung eines Lagegebers anzugeben, bei welcher die x-, die y- und die z-Koordinate eines Lagegebers mit Hilfe einer nur in einer einzigen Ebene angeordneten Sensoreinrichtung ermittelt werden kann.
• Vorteile Mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung wird ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachter konstruktiver Aufbau der Sensoreinrichtung insofern erzielt, als nur eine im wesentlichen flächenhafte Anordnung zur Plazierung der Sensoren benötigt wird und sich die Zahl der notwendigen Sensoren, die bei herkömmlichen Einrichtungen in einer Vielzahl auf die dort vorhandenen drei Sensorflächen verteilt sind, auf vier beschränkt.
• Darstellung der Erfindung Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten vereinfachten Schaltbildes in Verbindung mit einer schematisch wiedergegebenen Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit zugehörigem Lagegeber näher erläutert.
• In den vier Eckpunkten eines ebenen Rechtecks 10 ist je ein Sensor 1, 2, 3, 4 plaziert. Diese haben untereinander gleiche Charakteristik und sind untereinander geometrisch gleich ausgerichtet. Eine bestimmte Kombination von Lagegeber und Sensoren ist im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich. Es kann beispielsweise in Verbindung mit den jeweils geeigneten Sensoren ein Permanenmagnet, ein Elektromagnet, eine Lichtquelle, ein radioaktiver Strahler, ein Röntgenstrahler, eine Ultraschall-oder Wärmequelle oder dgl. als Lagegeber verwendet werden.
• Die positive Zählrichtung für die z-Koordinate des Lage gebers G ist in der Zeichnung nach oben, senkrecht zur Ebene des Rechtecks 10.
• Die positive Zählrichtung für die x-Koordinate ist in der Zeichnung nach rechts, parallel zur vorderen bzw. hinteren Rechteckseite und die positive Zählrichtung für die y-Koordinate zur linken bzw. rechten Rechteckseite.
• Zur Herausstellung des Grundgedankens der Erfindung sei nun der Koordinatenursprung in den Diagonalenschnittpunkt des Rechtecks 10 gelegt, eine relativ kleine Rechteckfläche betrachtet und der Lagegeber in einer Ausgangsposition von x = 0, y = 0 und z = z0 angenommen, in welcher die von den Sensoren 1, 2, 3 und 4 in Abhängigkeit vom Ort des Lagegebers über die Signalleitungen 21, 22, 23 und 24 an die Auswertungsschaltung abgegebenen Signale jeweils mit S1O, S20' S30 und S40 bezeichnet seien, während diese Signale allgemein mit S1, S2, S3 und S4 bezeichnet seien.
• Eine Ortsänderung des Lagegebers um einen Betrag bx ergibt auf Grund der zur y-Achse symmetrischen Anordnung der Sensoren 1 und 3 auf der einen und der Sensoren 2 und 4 auf der anderen Seite der y-Achse eine Summensignaländerung h(S1 + S3), die entgegengesetzt gleich einer Summensignaländerung (S2 + S4) ist.
• Insbesondere istx unter den oben angegebenen Bedingungen proportional zum Betrag der Signaländerungen an den vier Sensoren, der sich allgemein als #(S2 + S4) - # (S1 + S3) darstellen läßt.
• Hierin ist nun: # (S2 + S4) = (S2 + S4) - (S20 + S40) und # (S1 + S3) = (S1 + S3) - (S10 + S30).
• Mit dieser Darstellung ergibt sich: #(S2 + S4) - # (S1 + S3) = (S10 + S30) - (S20 + S40) + (S2 - S3) - (S1 - S4).
• Unter Berücksichtigung der o.g. Symmetrie ergibt sich hierin für (S10 + S30) - (S20 + S40) der Wert Null, so daß #X # [(S2 - S3) - (S1 - S4)] ist.
• Eine analoge Betrachtung für eine Ortsänderung des Lagegebers um einen Betrag hy führt zu der Proportionalbeziehung # y # [(S2 - S3) + (S1 - S4)].
• Da die in den eckigen Klammern stehenden Signalsummen außer von Ortsänderungen des Lagegebers in x-, bzw. y-Richtung auch von solchen in z-Richtung abhängen, gelten diese Proportionalitätsbeziehungen nur immer dann, wenn die durch eine Veränderung der z-Koordinate des Lagegebers hervorgerufenen Signaländerungen an den Sensoren kompensiert sind.
• Diese Kompensation erfolgt in der in der Zeichnung dargestellten Auswertungsschaltung.
• Hierin werden aus den vom Ort des Lagegebers abhängigen Signalen bis S4 der vier Sensoren mit Hilfe der Differenz- und Summenverstärker 5 bis 8 ein erstesSummensignal #1 = (S2 - S3) - (S1 - S4) am Ausgang des Differenzverstärkers 7 und ein zweites Summensignal #2 = (S2 - S3) + (S1 - S4) am Ausgang des Summenverstärkers 8 gewonnen.
• An den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers DV wird das mit einem Sumalierglied gebildete Summensignal #3 = = S1 + S2 + S3 + S4 angelegt und an den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV wird ein Bezugssignal gelegt, das an einem beispielsweise als Potentiometer ausgebildeten Signalgeber 11 abgegriffen wird.
• Durch dieses Bezugssignal ist eine Koordinate z0 festgelegt, gegenüber welcher die z-Koordinate des Lagegebers in der Form #z = = z - zO bestimmt werden kann.
• Mit der dargelegten Signalbelegung des Differenzverstärkers DV ergibt sich an dessen Ausgang und damit am Ausgang A3 der Auswertungsschaltung ein Signal der Form f (#z), aus welchem die z-Koordinate des Lagegebers errechenbar ist.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann diese rechnerische Bestimmung der z-Koordinate durch einen dem Ausgang A3 nachgeschalteten logarithmischen Verstärker LV vereinfacht werden, wobei dessen Ausgangssignal proportional zur Differenz Az ist.
• Der oben erwähnte Einfluß von Az auf das erste und zweite Summensignal E1 und 22 in den oben genannten ProportionaBtätsbeziehungen für #x und ty wird gemäß der Erfindung mit Hilfe der Transkonduktanzverstärker TV1 und TV2 kompensiert, die ihrerseits mit einem Korrektursignal des Korrekturglieds K angesteuert werden, welches seinerseits mit dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV angesteuert wird.
• Die solchermaßen angesteuerten Transkonduktanzverstärker TV1 und TV2 bewirken hierbei eine Veränderung der Werte des ersten und zweiten Sumniensignals rl und 22 in der Weise, daß der durch ein A z hervorgerufene Anteil der Änderung dieser beiden Summensignale gerade wieder aufgehoben wird.
• Hierbei fällt dem Korrekturglied K und den Transkonduktanzverstärkern TV1 und TV2 die Aufgabe zu, die Summensignale 21 und 22 so umzuformen, daß der aus den zur Bildung von :1 bzw. #2 verwendeten Einzelsignalen gebildete Term S1 + S2 + S3 + S4 für jeden Ort des Lagegebers konstant ist.
• In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem ein eine steuerbare Sendeleistung abstrahlender Lagegeber verwendet wird, wird diese Aufgabe von entsprechenden mit einem Korrekturglied angesteuerten Transkonduktanzverstärkern für die Summensignale 71 und #2 und von einem weiteren Transkonduktanzverstärker TV3 übernommen, der wiederum mit dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV angesteuert wird und dem Lagegeber G eine durch den Transkonduktanzverstärker TV3 veränderbare Sendeleistung aus einer Senderenergiequelle EQ zuführt.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Bestimmung des Ortes bzw-. der Ortsänderung eines Lagegebers Ansprüche t Einrichtung zur Bestimmung des Ortes bzw. der Ortsänderung eines Lagegebers im Raum mit folgenden Merkmalen - es ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die vom Ort des Lagegebers abhängige Signale abgibt, - durch die räumliche Anordnung der Sensoren der Sensoreinrichtung ist die räumliche Orientierung eines Bezugssystems für die x-, y- und z-Koordinate des Lagegebers gegeben, - es ist eine Auswertungsschaltung vorgesehen, die aus den Signalen der Sensoren Summen- und Differenzsignale bildende Schaltungselemente aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale - eine Bezugsebene für die dazu senkrechte Richtung zur Messung der z-Koordinate ist gebildet durch die Fläche eines ebenen Rechtecks (10), dessen Eckpunkte mit geometrisch gleich ausgerichteten Sensoren gleicher Charakteristik besetzt sind, - die Endpunkte einer ersten Seite des Rechtecks sind mit einem ersten Sensor (1) und einem zweiten Sensor (2) besetzt, wobei der zweite gegenüber dem ersten in positiver Zählrichtung für die x-Koordinate angeordnet ist, - die zur ersten Seite des Rechtecks (10) parallele zweite Rechteckseite ist gegenüber der ersten in negativer Zählrichtung für die y-Koordinate angeordnet, die Endpunkte der zweiten Rechteckseite sind mit einem dritten Sensor (3) und einem vierten Sensor (4) besetzt, wobei der vierte gegenüber dem dritten in positiver Zählrichtung für die x-Koordinate angeordnet ist, die Auswertungsschaltung für die vom ersten, zweiten, dritten und vierten Sensor in Abhängigkeit von der Lage des Lagegebers abgegebenen und jeweils mit S1, S2, S3 und S4 bezeichneten Signale umfaßt - einen ersten Ausgang (Al) in Form des Ausganges eines ersten Transkonduktanzverstärkers (TV1), an dessen Eingang das Signal (S2 - S3) ~ (sl - S4) angelegt ist, - einen zweiten Ausgang (A2) in Form des Ausganges eines zweiten Transkonduktanzverstärkers (TV2), an dessen Eingang das Signal (S2 - S3) + (S1 S4) angelegt ist - einen dritten Ausgang (A3) in Form des Ausganges eines Differenzverstärkers (DV), an dessen invertierenden Eingang das Summensignal S1 + S2 S3 + S4 und an dessen nicht invertierenden Eingang ein Bezugssignal angelegt ist, sowie - ein mit dem Ausgangs signal des dritten Ausganges angesteuertes Korrekturglied (K), das seinerseits den ersten und zweiten Transkonduktanzverstärker derart ansteuert, daß die Ausgangssignale am ersten und zweiten Ausgang von der z-Koordinate des Lagegebers unabhängig sind.
2. 2) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein logarithmischer Verstärker (LV) vorgesehen ist, an dessen Eingang das am dritten Ausgang der Auswertungsschaltung abgreifbare Signal angelegt ist.
3. 3) Einrichtung nach Anspruch 1 mit einem eine Sendeleistung abstrahlenden Lagegeber, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Sendeleistung steuernder dritter Transkonduktanzverstärker I (TV3) vorgesehen ist, der mit dem am dritten Ausgang der Auswertungsschaltung abgreifbaren Signal angesteuert ist.