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Vorrichtung zur berührungslosen Messung
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von Winkeln
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur berührungslosen Messung von Winkeln und Winkeländerungen in zwei zueinander
senkrechten Richtungen, bei welcher mit Hilfe eines von einer Strahlungsquelle ausgehenden
Strahlungsbündels ein Bild über ein Halbspiegelprisma od.dgl. durch ein Objekt auf
eine den Winkel änderungen unterworfene reflektierende Fläche und nach der Reflexion
gemäß dem Autokollimationsprinzip nach dem erneuten Durchgang durch das Halbspiegelprisma
auf eine £otoelektrische Fühlereinrichtung projiziert wird.
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Es ist grundsätzlich allgemein bekannt, Winkel oder Winkeländerungen
in zwei Richtungen oder Ebenen dadurch zu messen, daß ein geeignetes Bild auf zwei
in einem rechten Winkel zueinander angeordnete Fühler projiziert wird. Eine solche
Einrichtung ist jedoch mit einem erheblichen gerätetechnischen Aufwand verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung von Winkeln und Winkeländerungen der eingangs näher genannten Art zu schaffen,
mit welcher eine genaue Messung von Winkel änderungen hoher Frequenz mit Hilfe einer
besonders einfachen fotoelektrischen Fühlereinrichtung zu erreichen ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Bild zwei
unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnete leuchtende Ränder aufweist, daß
der eine der beiden leuchtenden Ränder parallel zu der einen der beiden Winkel-Anderungsrichtungen
angeordnet ist und daß die fotoelektrische Fühlereinrichtung als strahlungsempfindlicher
Linienfühler ausgebildet ist, der sich nur linear parallel zu der anderen der beiden
Winkel-Anderungsrichtungen erstreckt.
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Eine alternative Lösung der Aufgabe sieht vor, daß das Bild zwei unter
einem spitzen Winkel zueinander angeordnete leuchtende Ränder aufweist, daß die
Winkelhalbierende des spitzen Winkels parallel zu der einen der beiden Winkel-Anderungsrichtungen
angeordnet ist und daß die fotoelektrische Fühlereinrichtung als strahlungsempfindlicher
Linienfühler ausgebildet ist, der sich nur linear parallel zu der anderen der beiden
Winkel-Anderungsrichtungen erstreckt.
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Durch diese alternative Lösung der Erfindungsaufgabe ergibt sich speziell
der wesentliche Vorteil, daß die beiden leuchtenden Ränder zur optischen Achse des
Autokollimator-Objektives jeweils den gleichen Abstand haben. Durch diese Anordnung
ergeben sich besonders 8eringe Abbildungsfehler. Auf diese Weise läßt sich eine
sehr hohe Meßgenauigkeit erreichen.
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Um störendes Streulicht soweit wie möglich auszuschalten, sieht die
alternative Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weiterhin vor, daß die beiden
leuchtenden Ränder als schmale Leuchtbänder ausgebildet sind, deren Umgebungsbereich
jeweils dunkel ist.
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Die Auswertung kann bei der alternativen Lösung der Erfindungsaufgabe
vorzugsweise dadurch erfolgen, daß der Linienfühler als Diodenzeile ausgebildet
ist.
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Im Unterschied zu derjenigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,
bei welcher der eine der beiden leuchtenden Ränder parallel zu der einen der beiden
Winkel-Anderungsrichtungen angeordnet ist, erfolgt bei der hier in Rede stehenden
alternativen Ausführungsform die Auswertung in der Weise, daß für das Maß der Winkeländerung
senkrecht zu der Winkelhalbierenden diejenige Strecke auf der fotoelektrischen Fühlereinrichtung
herangezogen wird, welche zwischen einem vorgebbaren Nullpunkt und der Mitte zwischen
den beiden leuchtenden Rändern liegt, wobei die Mitte durch die Winkelhalbierende
festgelegt ist.
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Gemäß der Erfindung ist der wesentliche technische Fortschritt erreichbar,
daß mit einer eindimensionalen Fühlereinrichtung und daher mit außerordentlich geringem
technischem Aufwand und dabei zugleich mit hoher Genauigkeit die gewünschte Messung
von Winkeln und Winkeländerungen in zwei Richtungen durchgeführt werden kann Weiterhin
erweist sich die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch als besonders vorteilhaft,
daß nur eine sehr geringe Menge an Streulicht in der Apparatur vorhanden ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kommt nämlich mit einer sehr geringen
Lichtenergie aus.
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Wenn in beiden Meßrichtungen gleiche Meßbereiche erfaßt werden sollen,
kann vorzugsweise vorgesehen sein,daß der spitze Winkel fünfundvierzig Grad beträgt.
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Der Meßbereich in der x-Richtung läßt sich jedoch durch entsprechende
Veränderung des Winkels oc(- der jeweiligen Meßaufgabe anpassen. Durch geeignete
Wahl dieses Winkels besteht daher bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Möglichkeit,
für die y-Richtung und für die x-Richtung unterschiedliche Empfindlichkeiten und
Meßbereiche zu realisieren.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß die beiden leuchtenden Ränder
als schmale Leuchtbänder ausgebildet sind, deren Umgebungsbereich jeweils dunkel
ist.
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Mit dieser Anordnung kann bei der Verwendung hinreichend schmaler
leuchtender Bänder, die im wesentlichen als leuchtende Linie ausgebildet sein können,
störendes Streulicht in der Meßeinrichtung so gut wie vollständig ausgeschaltet
werden.
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In bestimmten Anwendungsfällen, in denen unter Umständen Streulicht
nicht problematisch isto kann eine Anordnung
verwendet werden, welche
sich dadurch auszeichnet, daß die beiden leuchtenden Ränder als Kanten eines leuchtenden
Dreiecks ausgebildet sind.
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Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß das Dreieck ein gleichschenkliges
rechtwinkliges Dreieck ist, bei welchem der eine leuchtende Rand von der Hypothenuse
und der andere leuchtende Rand von der einen Kathete gebildet ist.
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Grundsätzlich kann der Null-Punkt der Meßeinrichtung mehr oder weniger
frei gewählt werden und so den Erfordernissen des jeweiligen Bedarfsfalles angepaßt
werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Null-Punkt der Meßeinrichtung durch
den Schnittpunkt zwischen der Hypothenuse und dem Linienfühler gebildet ist.
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Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise vor, daß
der Linienfühler als Hell-Dunkel-Erfassungseinrichtung ausgebildet ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich weiterhin
dadurch, daß der Linienfühler als Diodenzeile ausgebildet ist.
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Grundsätzlich kann gemäß der Erfindung jeder lineare Lichtfühler verwendet
werden, der bei einer entsprechenden Verlagerung der Schnittpunkte des Lichtfühlers
mit den beiden leuchtenden Rändern eine entsprechende Anderung seines Ausgangssignals
liefert Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
überall dort, wo auch kleinste Winkeländerungen, die unter Umständen mit hoher Frequenz
auftreten könnens exakt reproduzierbar und genau gemessen werden sollen. Beispielsweise
können die Winkeländerungen
eines Automobil-Rades unter verschiedenen
Belastungen im Prüffeld oder bei Fahrversuchen mit der erfindungsgemäßen Anordnung
in besonders eleganter Weise gemessen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 eine rein schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes und Fig. 2 in einer entsprechenden schematischen
Darstellung eine zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes und Fig. 3 eine
Alternative zur Darstellung in der Fig. 1.
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Gemäß der Darstellung in der Fig. 1 werden als Bild 10, welches zur
Messung der Winkeländerungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen verwendet
wird, zwei unter einem spitzen Winkel d zueinander angeordnete leuchtende Ränder
11 und 12 verwendet.
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Gemäß der Darstellung in der Fig. 2 werden die beiden leuchtenden
Ränder durch die Kanten 119 und 12' eines leuchtenden Dreiecks 10' geildet, dessen
dritte Seite durch die Linie 15 dargestellt ist.
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Wenn bei der Darstellung in der Fig. 1 eine Winkeländerung in der
y-Richtung auftritt, wandern die beiden leuchtenden Ränder 11 und 12 derart vertikal
nach oben aus, daß der Weg des horizontalen Randes 11 dem zugehörigen Winkel proportional
ist. Eine solche Winkeländerung wird durch die Strecke b dargestellt.
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Bei einer Winkeländerung in der x-Richtung tritt eine Bewegung der
leuchtenden Ränder 11 und 12 in der horizontalen
Richtung auf,
wobei die Strecke b.unverändert bleibt, hingegen die Strecke a sich proportional
zu der Winkeländerung vergrößert oder verkleinert.
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In entsprechender Weise werden bei der Verwendung des leuchtenden
Dreiecks 10' gemäß der Darstellung in der Fig. 2 die beiden Strecken a und b bei
entsprechenden Winkeländerungen jeweils in Abhängigkeit von einer positiven oder
negativen Winkeländerung entsprechend vergrößert bzw. verkleinert.
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Aus der Darstellung in der Zeichnung geht hervor, daß in einem als
Ausführungsbeispiel gewählten quadratischen Feld 14, in welchem der mit 0 bezeichnete
Null-Punkt liegen kann, jeweils die Maße a und b ablesbar sind, die für Winkeländerungen
entlang den Koordinaten x und y repräsentativ sind.
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Der Linienfühler 13 bzw. 13 ist in den Fig. 1 bzw. 2 jeweils rein
schematisch als vertikale Strecke dargestellt, deren Schnittpunkte mit den leuchtenden
Rändern 11 bzw. 11' und 12 bzw. 12' die für die Winkeländerungen repräsentativen
Strecken a und b festlegen.
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Es dürfte aus der Zeichnung klar ersichtlich sein, daß bei einer Winkeländerung
in der Richtung x die Strecke b konstant bleibt, während die Strecke a verändert
wird. Umgekehrt bleibt bei einer Winkeländerung in der y-Richtung der absolute Betrag
der Strecke a unverändert, während sich die Strecke b ändert.
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Die Umwandlung der durch die beiden Strecken a und b festgelegten
Signalwerte in entsprechende Ausgangssignale kann in an sich bekannter Weise durchgeführt
werden.
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Es hängt von rein praktischen Erfordernissen ab, im Bedarfsfall die
nach der Fig. 1 oder die nach der Fig. 2 ausgebildete Ausführungsform oder auch
eine nach dem Grundgedanken der Erfindung ausgebildete, jedoch abgewandelte Ausführungsform
zu verwenden Wenn die Richtung und damit das Vorzeichen der Koordinate x vertauscht
werden soll, so lassen sich einfach die leuchtenden Ränder 11 und 12 und in entsprechender
Weise das als Dreieck ausgebildete leuchtende Bild 10' derart anordnen, daß eine
in Bezug auf den Linienfühler 13 bzw. 13' spiegelsymmetrische Anordnung verwendet
wird.
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Durch Verändern des Winkels läßt sich der Winkelmeßbereich in der
x-Richtung variieren, so daß für die y-Richtung und die x-Richtung auch unterschiedliche
Meßbereiche gerätetechnisch verwirklicht werden können.
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Die Figur 3 veranschaulicht eine alternative bevorzugte Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes, bei welcher zwei leuchtende Ränder 11 ' ' und 12'' derart
unter einem spitzen Winkel OC zueinander angeordnet sind, daß die Winkelhalbierende
zwischen den beiden leuchtenden Rändern parallel zu der einen Meßachse liegt. Dies
bedeutet somit, daß die Winkelhalbierende des spitzen Winkels parallel zu der einen
der beiden Winkel-Anderungsrichtungen angeordnet ist, die mit der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung erfaßt werden sollen. Dabei ist die Anordnung weiterhin derart getroffen,
daß die Winkelhalbierende senkrecht zu einem strahlungsemp£indlichen Linienfühler
13'' angeordnet ist.
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Bei der Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes nach der Fig. 3
tritt in Übereinstimmung mit den in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsformen
bei einer Winkeländerung in der x-Richtung, d.h. in der Richtung der Winkelhalbierenden,
eine Bewegung der leuchtenden Ränder 11" und 12'' in horizontaler Richtung auf,
wobei die in der Figur 3 eingezeichnete und nachfolgend erläuterte Strecke b unverändert
bleibt, hingegen die Strecke a sich proportional zu der Winkeländerung vergrößert
oder verkleinert Die Größe der Strecke b bleibt dabei unverändert.
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Die Strecke b in der Figur 3 reicht von dem unteren Ende des Linienfühlers
13'' bis zu demjenigen Punkt, in welchem der Linienfühler 13'' von der Winkelhalbierenden
des Winkels geschnitten wird. Wenn eine Winkeländerung in der y-Richtung auftritt,
d.h. parallel zu der Längsausdehnung des Linienfühlers 13'', so bleibt die Größe
der Strecke a unverändert, während sich jedoch die Größe der Strecke b proportional
zu der in Rede stehenden Winkeländerung vergrößert oder verkleinert.
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Somit ist festzustellen, daß sich bei der Ausführungsform nach der
Figur 3 die Auswertung des Meßwertes der Winkeländerung in der y-Richtung in der
oben beschriebenen Weise ändert, während die Auswertung in der x-Richtung gleich
bleibt.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, sowohl die relative als auch die
absolute Lage der leuchtenden Ränder in Beziehung zu einer Linienfühler-Einrichtung
in der Weise abzuwandeln, daß den Erfordernissen eines praktischen Anwendungsfalles
jeweils Rechnung getragen wird.
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