DE3741727C1 - Device for the optical detection of movements of a rotating body - Google Patents
Device for the optical detection of movements of a rotating bodyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum optischen Erfassen von Bewegungen eines sich drehenden Körpers, bestehend aus einem Fotosensor, mit dem eine auf dem Körper aufgebrachte Markierung abtastbar ist.The invention relates to a device for optical Detecting movements of a rotating body, consisting of a photo sensor, with one on the body applied marking can be scanned.
Aus der Zeitschrift Electronics, 14. Februar 1964, Seite 60 und dem GB-Patent 10 11 904 sind optische Bewegungserfas sungseinrichtungen bekannt, mit denen die Bewegungsbahnen von in der Luft sich bewegenden Körpern, wie Sterne, Flugzeuge und dergleichen beobachtet werden können. Dazu weisen die Einrichtungen Blendenmuster auf, durch die die empfangenen Strahlen entsprechend durchgelassen und abgeblendet werden. Durch die Messung der Durchlaßfrequenzen kann die Lage bzw. der Ort des sich bewegenden Körpers bestimmt werden.From Electronics magazine, February 14, 1964, page 60 and GB Patent 10 11 904 are optical motion detectors Solution devices known with which the trajectories of bodies moving in the air, such as stars, airplanes and the like can be observed. The Establish aperture patterns through which the received Beams are let through and dimmed accordingly. By measuring the pass frequencies, the position or the location of the moving body can be determined.
Diese Geräte eignen sich aber nur zur Bestimmung der Lage von Körpern, die eine punktförmige Strahlung abgeben. Diese Geräte eignen sich daher nicht zur Bestimmung von Bewegungen eines sich in der Nähe befindlichen und sich drehenden Bauteiles.However, these devices are only suitable for determining the position of bodies that emit point radiation. These Devices are therefore not suitable for determining movements one nearby and rotating Component.
Für sich drehende Bauteile ist aus der DE-PS 22 41 108
eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt, mit der
die Drehgeschwindigkeit des Bauteiles erfaßt werden kann.
Dazu ist am Bauteil eine rechteckige Kontrastmarke versehen,
die in der Sensorebene eines Fotofühlers angebracht ist.
Damit lassen sich Drehgeschwindigkeiten, aber nicht axiale
Verschiebungen des Bauteiles, erfassen.
For rotating components, a device of the generic type is known from DE-PS 22 41 108 with which the rotational speed of the component can be detected. For this purpose, a rectangular contrast mark is provided on the component, which is attached in the sensor plane of a photo sensor. This allows rotational speeds, but not axial displacements of the component, to be recorded.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß damit auch Axialverschiebungen eines rotierenden Körpers meßbar sind.The invention has for its object this known To improve the facility so that also Axial displacements of a rotating body can be measured.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.The object is achieved with those in claim 1 marked features solved.
Der Fotosensor erfährt während der Drehung des Körpers Sprünge beim Überqueren der Kontrastdreiecke. Am Ausgang liefert der Fotosensor entsprechende elektrische Impulse, deren Impulsdauer von der Breite der Dreieckmarkierung auf der Sensorebene abhängt. Bei einer axialen Verschiebung des rotierenden Körpers wird sich die Abtastebene entsprechend ändern und damit auch die Impulslänge. Über die Impulslänge ergibt sich somit ein Maß für die axiale Verschiebung des rotierenden Körpers. Damit können relativ große axiale Verschiebungen gemessen werden, wobei die Dreieckmarkierung entsprechend ausgelegt werden muß.The photo sensor experiences during the rotation of the body Jumps when crossing the contrast triangles. At the exit the photo sensor delivers appropriate electrical impulses, whose pulse duration depends on the width of the triangle marking depends on the sensor level. With an axial displacement of the rotating body will be the scanning plane accordingly change and thus also the pulse length. About the pulse length This gives a measure of the axial displacement of the rotating body. This allows relatively large axial Displacements are measured using the triangle mark must be interpreted accordingly.
Die in der Markierung ineinander verzahnten Dreiecke sollten stark kontrastierend sein, wobei die Art, wie der Kontrast geschaffen wird, keine gesonderte Rolle spielt. Sowohl schwarz/weiß gefärbte als auch matt/glänzend ausgestaltete oder entsprechend geätzte Flächen sind für die Einrichtung geeignet. Mit starken Kontrasten werden klare Sprünge zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert als Ausgangssignale des Sensors erreicht.The triangles interlocked in the marking should be strongly contrasting, being the way the contrast is created does not play a separate role. Either black and white colored as well as matt / glossy or appropriately etched areas are for the facility suitable. With strong contrasts there are clear jumps between a higher and a lower value than output signals of the sensor reached.
Der Fotosensor muß dabei nur Dunkel/Hellkontraste erkennen und ist deshalb unempfindlich bezüglich Oberflächen beschaffenheit der Reflexionsfläche, Streuungen im eigenen Sender- und Empfänger-System, Temperatureinflüssen usw.The photo sensor only has to detect dark / light contrasts and is therefore insensitive to surfaces Condition of the reflecting surface, scattering in your own Transmitter and receiver system, temperature influences, etc.
Im Regelfall sind axiale Verschiebungen in beiden Richtungen zu erwarten. In diesem Fall wird die Abtastebene so einge stellt, daß sie in der Mitte der Markierung zu liegen kommt. Diese Einstellung hat darüber hinaus den Vorteil, daß aufgrund der gleichen Längen der dunklen und hellen Linien ein Driften in der nachfolgenden Elektronik ausgeglichen wird und somit der Drifteffekt nicht zum Tragen kommt.As a rule, there are axial displacements in both directions expected. In this case the scanning plane is inserted in this way makes sure that it comes to rest in the middle of the mark. This setting also has the advantage that due to drifting the same lengths of dark and light lines is balanced in the subsequent electronics and thus the drift effect does not come into play.
In der Mittellage trifft der Fotosensor bei richtiger Lage des sich drehenden Körpers die dunklen und hellen Felder in einem Verhältnis 1 : 1 an. Eine Änderung dieses Verhältnisses zeigt eine axiale Verschiebung aus der Soll-Lage des Drehkörpers an, wobei die Richtung der Verschiebung aus dem Wert des veränderten Signalverhältnisses entnehmbar ist, und zwar, ob dieses kleiner oder größer als 1 ist.In the middle position, the photo sensor hits the right position rotating body the dark and light fields in one Ratio 1: 1. A change in this ratio shows an axial displacement from the target position of the rotating body where the direction of the shift is from the value of the changed signal ratio can be removed, namely whether this is less than or greater than 1.
Tauchen bei Anwendungsfällen nur Verschiebungen in einer Richtung auf, dann ist es vorteilhaft, wenn die Abtastebene an einen Rand der Markierung gebracht wird, um die Gesamtbreite der Markierung zu nützen. Diving in applications only shifts in one Towards, then it is advantageous if the scanning plane is on an edge of the marker is brought to the total width to use the marking.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann sowohl für Regelungs zwecke als auch für Meßvorgänge verwendet werden, indem über die Meßsignale nicht nur eine Verschiebung erkannt, sondern deren Absolutwert auch genau bestimmt werden kann.The device according to the invention can be used both for regulation used for purposes as well as for measuring processes by not only a shift detected via the measurement signals, but whose absolute value can also be determined exactly.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigtIn the drawing is an embodiment of the invention shown schematically. It shows
Fig. 1 das Ausführungsbeispiel und Fig. 1 shows the embodiment and
Fig. 2 einen Signalverlauf. Fig. 2 shows a waveform.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines hohlen Rotors 10, der mittels eines Magnetpaares 11, 12 an dem einen Stirnende 13 gelagert ist. Dabei ist der eine, ringförmig ausgebildete Magnet 11 mit dem Rotor 10 verbunden, während der zweite Magnet 12 stationär so angeordnet ist, daß er in den Ringmagneten 11 unter Beibehaltung eines vorbestimmten Spaltes 14 zwischen dem stationären Magnet 12 und der Stirnseite 13 des Rotors 10 hineinragt. Fig. 1 shows a part of a hollow rotor 10 which is mounted on one end 13 by means of a pair of magnets 11, 12 . The one ring-shaped magnet 11 is connected to the rotor 10 , while the second magnet 12 is arranged so that it protrudes into the ring magnet 11 while maintaining a predetermined gap 14 between the stationary magnet 12 and the end face 13 of the rotor 10 .
Infolge der Poissonkontraktion erfährt der Rotor 10 eine Verkürzung, die mit der Länge des Rotors 10 zunimmt. Im Verlauf der Anfahr- bzw. Abbremsperiode wird sich somit eine axiale Relativbewegung zwischen dem sich drehenden Ring magneten 11 und dem stationären Magneten 12 ergeben, die zu einer Änderung des Abstandes 14 führt.As a result of the Poisson contraction, the rotor 10 is shortened, which increases with the length of the rotor 10 . In the course of the starting or braking period, there will be an axial relative movement between the rotating ring magnet 11 and the stationary magnet 12 , which leads to a change in the distance 14 .
Um eine Veränderung des Abstandes 14 zu beobachten, wird am Außenumfang des Ringmagneten 11 eine Markierung angebracht, die aus ineinandergreifenden alternierend dunklen und hellen Dreiecken 15 bzw. 16 besteht und an einer Umfangsebene 17 von einem Sensor 18 abgetastet wird. Der Sensor 18 ist über einen Träger 19 mit dem stationären Magneten 12 kraftschlüssig verbunden, so daß sich eine Relativbewegung zwischen den bei den Magneten 11, 12 im gleichen Maße zwischen der Sensor ebene 17 und der Markierung 15, 16 ergibt, dessen Maß gleich zeitig ein Maß für die Veränderung des Spaltes 14 ist.In order to observe a change in the distance 14 , a marking is made on the outer circumference of the ring magnet 11 , which consists of interlocking alternating dark and light triangles 15 and 16 and is sensed on a circumferential plane 17 by a sensor 18 . The sensor 18 is non-positively connected via a carrier 19 to the stationary magnet 12 , so that there is a relative movement between the level of the magnets 11, 12 to the same extent between the sensor level 17 and the marking 15, 16 , the dimension of which is simultaneous Measure of the change in the gap 14 is.
In Fig. 2 ist die Markierung 15, 16 eben dargestellt. In diese Markierung sind drei Lagen der Sensorebene 17 mit Strichen eingezeichnet. Im Bereich A ist die Sensorebene 17 a, axial gesehen, genau in der Mitte der Markierung 15, 16 eingezeichnet. Auf dieser Ebene wird der Sensor die schwarzen Felder 15 und die weißen Felder 16 während gleichen Zeitab schnitten a bzw. b registrieren und entsprechende Spannungs signale V ausgeben, die ein Impulsverhältnis b/a = 1 aufweisen. Wählt man diese Mittellage 17 a als Ausgangs-, Ruhe- oder Gleichgewichtslage oder Soll-Lage, dann wirkt sich eine Ver schiebung aus dieser Lage in eine Veränderung des Verhältnis ses auf Werte <1 oder <1 aus.In Fig. 2, the marking 15, 16 is shown flat. Three layers of sensor level 17 are drawn into this marking with lines. In area A , the sensor plane 17 a , seen axially, is drawn exactly in the middle of the marking 15, 16 . At this level, the sensor will register the black fields 15 and the white fields 16 during the same time sections a and b and output corresponding voltage signals V which have a pulse ratio b / a = 1. If one chooses this middle position 17 a as a starting, rest or equilibrium position or target position, then a shift from this position affects a change in the ratio ses to values <1 or <1.
In Fig. 2 ist dazu jeweils ein Beispiel gezeigt. Verschiebt sich der Magnetring 11 gemäß der Zeichnung, Fig. 1 nach oben, dann nimmt die Sensorebene eine tiefere Lage ent sprechend 17 b ein, wie es in Fig. 2 im Bereich B gezeigt ist. In diesem Fall ist das Verhältnis b′/a′ < 1. Verschiebt sich der Magnetring dagegen in die Gegenrichtung, dann nimmt die Sensorebene eine Position, z. B. wie 17 c ein. Aus den zuge hörigen Impulsen V (Bereich C) ist deutlich ein Verhält nis b′′/a′′ < 1 zu erkennen. Die Verschiebungen +Δ 1 bzw. -Δ 1 aus der Ausgangslage 10, die der realen Änderung des Spaltes 14 gleich sind, lassen sich unter Zuhilfenahme der geometrischen Beziehungen der Dreiecke 15, 16 aus den Impulsbreiten a und b errechnen.An example of this is shown in FIG. 2. The magnetic ring 11 is shifted in accordance with the drawing 1, Fig. Upwardly, then the level sensor takes a lower position accordingly 17 b, as B there is shown a in Fig. 2 in the area. In this case, the ratio is b '/ a' <1. On the other hand, if the magnetic ring moves in the opposite direction, the sensor plane takes up a position, e.g. B. like 17 c . From the associated pulses V (area C) a ratio nis b '' / a '' <1 can be clearly seen. The displacements + Δ 1 and - Δ 1 from the starting position 10 , which are the same as the real change in the gap 14 , can be calculated with the aid of the geometric relationships of the triangles 15, 16 from the pulse widths a and b .
Die vorstehend beschriebene Einrichtung kann sowohl für Meß zwecke, z. B. im Labor, als auch für Regelzwecke verwendet werden, und ist insbesondere für Fälle geeignet, bei denen eine hohe Genauigkeit gefordert wird.The device described above can be used both for measuring purposes, e.g. B. used in the laboratory, as well as for control purposes and is particularly suitable for cases in which high accuracy is required.
Im Beispiel nach Fig. 1 ist die Einrichtung zur Erfassung des Ist-Wertes des Abstandes 14 bzw. der Relativlage zwischen den beiden Magneten 11 und 12 ausgelegt. Die Signale V des Sensors 18 werden einem Regler 20 zugeführt, der entsprechend einem vorgegebenen Sollwert einen Mechanismus 21 ansteuert, der den stationären Magneten 12 axial zur Anpassung an die Ver schiebung des Ringmagneten 11 verschiebt.In the example according to FIG. 1, the device is designed to detect the actual value of the distance 14 or the relative position between the two magnets 11 and 12 . The signals V of the sensor 18 are fed to a controller 20 which controls a mechanism 21 according to a predetermined desired value, which axially displaces the stationary magnet 12 to adapt to the displacement of the ring magnet 11 .
Claims (4)
daß zur Erfassung von axialen Lageverschiebungen des sich drehenden Körpers die Markierung aus nebeneinander angeord neten und abwechselnd kontrastierenden Dreiecken (15 bzw. 16) besteht, wobei die Grundlinie der Drei ecke jeweils einer Kontrastart auf einer gemeinsamen Umfangslinie (22 bzw. 23) des Körpers (11) liegt, und
daß die Markierung auf einer Ebene (17) abgetastet wird, die auf einer Umfangslinie zwischen den beiden gemeinsamen Grundlinien (22, 23) zu liegen kommt.1. Device for optically detecting movements of a rotating body, consisting of a photo sensor with which a marking applied to the body can be scanned, characterized in that
that for the detection of axial positional displacements of the rotating body, the marking consists of juxtaposed and alternately contrasting triangles ( 15 and 16 ), the baseline of the triangles each having a type of contrast on a common circumferential line ( 22 or 23 ) of the body ( 11 ) lies, and
that the marking is scanned on a plane ( 17 ) that comes to lie on a circumferential line between the two common base lines ( 22, 23 ).
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