DE3825927A1

DE3825927A1 - Verschiebungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3825927A1
Application number: DE3825927A
Authority: DE
Inventors: Giichiro Shimizu; Toshiharu Okuyama; Yoshio Wakatsuki
Original assignee: Man Design Co Ltd
Current assignee: Nitto Kohki Co Ltd
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1989-02-09
Also published as: DE3825927C2; KR940001737B1; GB2207511A; GB2207511B; GB8817845D0; US4914610A; JPS6421305U; KR890002637A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschiebungsmeßeinrichtung, in der die Bewegungsstrecke einer auf ein Meßobjekt aufgesetzten Sonde aus der Änderung der Schwingfrequenz eines Oszillators berechnet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verschiebungsmeßvorrichtung, bei der eine Kurve zweiter Ordnung bzw. eine sekundäre Kurve korrigiert wird derart, daß die berechnete Bewegungsstrecke der wahren Bewegungsstrecke der Sonde angenähert ist.

Der in Fig. 1 gezeigte Meßtaster mit Kreisskala ist als tragbare Meßvorrichtung bekannt, mit der sich auch sehr kurze Verschiebungsstrecken - bspw. 0,1 mm oder 0,001 mm - eines Gegenstandes genau ermitteln lassen. Diese Meßvorrichtung 1 zeigt die Bewegungsstrecke der Sonde 2 relativ zu einem Bezugsort digital auf der Anzeigeeinheit 3 an. Dabei wird die Bewegungsstrecke der Sonde 2 als elektrisches Signal entsprechend der Änderung der Schwingfrequenz eines Oszillators erfaßt, der in der Meßvorrichtung enthalten ist. Wie insbesondere die Fig. 2 zeigt, ist mit dem Schaft der Sonde 2 ein Kernelement 4 verbunden, um den eine Primärspule 5 und zwei Sekundärspulen 6 a, 6 b gewickelt sind; diese Spulen sind in der in Fig. 3 gezeigten Weise miteinander verschaltet. Ein Wechselstromsignal bekannter Frequenz aus dem Oszillator 7 wird an die Primärspule 5 gelegt und die Induktivität L an den Ausgangsanschlüssen 8 a, 8 b der Sekundärspulen 6 a, 6 b ermittelt. Verschiebt das Kernelement 4 sich nach oben bzw. unten, ändert sich die Induktivität L zwischen den Anschlüssen 8 a, 8 b.

Die Fig. 4 zeigt die Verschiebungsmeßvorrichtung 1 schaubildlich. Ein Colpitts-Oszillator 9 (vergl. Fig. 5) weist die Spule L zwischen den Anschlüssen 8 a, 8 b, einen Festkondensator C 1, einen veränderbaren Kondensator C 2 sowie einen Transistor Tr auf. Der Zusammenhang zwischen der Änderung der Schwingfrequenz f des Oszillators 9, die sich aus der Lageänderung des mit der Sonde 2 verbundenen Kerns 4 in den Spulen 5, 6 a, 6 b ergibt, und der Bewegungsstrecke D des Kerns 4 relativ zu einer Bezugs- bzw. Mittenlage ist zunächst linear, wie in Fig. 6 durchgezogen gezeigt. Es läßt sich daher die Bewegungsstrecke aus der Änderung der Schwingfrequenz berechnen. Die Schwingfrequenz f des Oszillators 9 wird mit dem Zähler 10 erfaßt und die Bewegungsstrecke D im Prozeßteil 11 der Vorrichtung entsprechend den Transformationseigenschaften berechnet, wie sie in Fig. 6 durchgezogen gezeigt sind. Das Ergebnis der Berechnung wird mit der Anzeige 12 angezeigt.

Bei einer Verschiebungsmeßeinrichtung, in der die Bewegungsstrecke D der Sonde 2 aus der Änderung der Schwingfrequenz f des Oszillators 9 berechnet wird, die sich bei der Bewegung des mit der Sonde 2 verbundenen Kerns 4 in den Spulen 5, 6 a, 6 b ergibt, tritt jedoch folgendes Problem auf. Um wie oben beschrieben, die Bewegungsstrecke D der Sonde genau bestimmen zu können, muß der Zusammenhang zwischen der wahren Ablage des Kernelements 4 vom Bezugsort und der Änderung der Schwingfrequenz f exakt linear sein, wie es mit der durchgezogenen Linie in Fig. 6 angedeutet ist.

Dieser Zusammenhang zwischen der Bewegungsstrecke D der Sonde 2 und der Schwingfrequenz f ist jedoch nichtlinear, da Störungen der magnetischen Flußlinien zwischen den Spulen 5, 6 a, 6 b, Feldverzerrungen an den Enden des Kerns 4 und dergl. Effekte ihn beeinträchtigen; vergl. hierzu die gestrichelte Kurve in Fig. 6. Fig. 7 ist eine vergrößerte Diagrammdarstellung des Zusammenhangs zwischen der wahren Bewegungsstrecke einer Sonde 2, d. h. des Kerns 4, für D = 0 und dem Fehler (ℓ-D), der sich aus der Subtraktion der berecheten Bewegungsstrecke D von der wahren Bewegungsstrecke ℓ ergibt. Wie Fig. 7 zeigt, ändert sich der Fehler (ℓ-D) krummlinig als Funktion der wahren Ablage und erreicht ein Maximum von etwa 20 µm (0,002 mm). Es wird darauf verwiesen, daß eine Änderung des Wertes des veränderbaren Kondensators C 2 auch die Steigung der Grade in Fig. 6 ändert; der Maximalfehler von 20 µm in Fig. 7 wird davon aber kaum beeinflußt.

Eine Verschiebungsmeßvorrichtung mit einem Maximalfehler von 0,02 mm genügt einer Norm für Längenmeßvorrichtungen; dieser Fehler ist also für übliche Messungen zulässig.

Soll jedoch bspw. bei der Messung der Schwingungsamplitude einer drehenden Welle eine Meßgenauigkeit von etwa 1/100 mm erreicht werden, ist dieser Fehler nicht mehr tragbar.

Es besteht daher Bedarf an einer Versschiebungsmeßvorrichtung mit erheblich höherer als der herkömmlichen Meßgenauigkeit.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verschiebungsmeßvorrichtung anzugeben, die die aus der Änderung der Schwingfrequenz eines Oszillators berechnete Bewegungsstrecke einer sekundären Kurvenkorrektur unterwirft, so daß sich durch genauere Annäherung der ermittelten an die wahre Bewegungsstrecke die Meßgenauigkeit erhöhen läßt.

Die Erfindung schafft eine Verschiebungsmeßvorrichtung mit einer an ein Meßobjekt ansetzbaren Sonde, einer mit der Sonde verbundenen Kernanordnung, einem Oszillator mit einer Spule, in die die Kernanordnung eingesetzt ist, einem Zähler, der die Schwingfrequenz des Oszillators bestimmt, einer Einrichtung, die aus der von der Bewegung der Kernanordnung in der Spule verursachten Änderung der Schwingfrequenz die Bewegungsstrecke der Sonde berechnet, einer Einrichtung, die die berechnete Bewegungsstrecke korrigiert, und einer Anzeigeeinrichtung, die den Wert der korrigierten Bewegungsstrecke anzeigt.

Fig. 1 zeigt das Aussehen einer herkömmlichen Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 2 und 3 zeigen die räumliche Anordnung der Spulen und des Kerns bei der herkömmlichen Meßvorrichtung;

Fig. 4 zeigt als Blockdiagramm den Aufbau der herkömmlichen Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 5 zeigt den Stromlauf des Oszillators der Fig. 4;

Fig. 6 zeigt als Diagramm den Zusammenhang zwischen der Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators und der Bewegungsstrecke des Kerns;

Fig. 7 zeigt als Diagramm den Zusammenhang zwischen dem Fehler und der wahren Bewegungsstrecke;

Fig. 8 zeigt das Aussehen einer Verschiebungsmeßvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 zeigt als Blockdiagramm den Aufbau der Verschiebungsmeßvorrichtung nach der Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 zeigt die räumliche Zuordnung der Spulen und des Kerns in der erfindungsgemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 11 stellt den Inhalt eines Speicherbereichs in der Speichereinheit der Rechensteuerung dar;

Fig. 12 zeigt als Flußdiagramm die Arbeitsweise der Rechensteuerung der Fig. 9; und

Fig. 13 zeigt als Diagramm den Zusammenhang zwischen dem Fehler und der wahren Bewegungsstrecke bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert.

Die Fig. 8 zeigt das Aussehen einer Verschiebungsmeßeinrichtung nah einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Sonde 23 ist über einen Führungsschaft 22 an der Unterseite eines Gehäuses 21 in Gestalt eines im wesentlichen rechteckigen Parallelepipeds angebracht und kann reltiv zu diesem auf- und abwärts sich bewegen. Verschiedene Funktionstasten 24 für die Betriebsartenwahl, den Nullabgleich und dergl. sowie eine LCD- Anzeigeeinheit 25 sind auf der Frontplatte des Gehäuses 21 angeordnet. Betrieblich gibt die Anzeigeeinheit 25 die von der Sonde 23 durchlaufende Bewegungsstrecke als 6stellige Zahl aus.

Fig. 9 zeigt als Blockdiagramm eine Anordnung der Verschiebungsmeßvorrichtung. Im bekannten Colpitts-Oszillator 26 sind die Kondensatoren 28, 29 und der Widerstand 30 mit der Basis- Emitter-Strecke des Transistors 27 verschaltet und ist eine Primärspule 31 einseitig an dessen Basis gelegt. Die Zweige mit der Sekundärspule 32 a und dem Schalter 33 a einerseits und der Sekundärspule 32 b und dem Schalter 33 b andererseits liegen parallel zwischen dem anderen Ende der Primärspule 31 und dem Widerstand 30. Die Impedanzen der Sekundärspulen 32 a, 32 b sind gleich. Die Primärspule 31 und die Sekundärspulen 32 a, 32 b sind räumlich so angeordnet, daß die Primärspule 31 vertikal zwischen den beiden Sekundärspulen 32 a, 32 b liegt; vergl. Fig. 10.

Der am Schaft der Sonde 23 angebrachte Kern 34 verläuft durch die Spulen 31, 32 a, 32 b über eine Feder im Oberteil des Gehäuses 21 festgelegt. Wird die Sonde 23 also nach oben ausgelenkt, verschiebt der Kern 34 sich zur Sekundärspule 32 a hin und vergrößert die Kopplungskapazität zwischen der Primärspule 31 und der Sekundärspule 32 a; wird sie nach unten ausgelenkt, verschiebt der Kern 34 sich zur unteren Sekundärspule 32 b und vergrößert deren Kopplungskapazität zur Primärspule 31.

Befindet der Kern 34 sich in der Mitte der Primärspule 31 (Bezugslage), ist beim Schließen nur des Schalters 33 a die Frequenz f _A des Colpitts-Oszillators 26 gleich der Schwingfrequenz f _B beim Schließen nur des Schalters 33 b. Hat der Kern 34 eine andere als die Bezugslage, weichen f _A und f _B voneinander ab. Die Frequenzdifferenz Δ f (= f _A-f _B) entspricht der Ablage des Kerns 34 von der Bezugslage. Der Zusammenhang zwischen der Frequenzdifferenz Δ f und der Ablage ist angenähert linear, wie in Fig. 6 gezeigt.

Die Schwingfrequenzen f _A, f _B des Oszillators 26 werden am Emitter des Transistors 27 bzw. dem gemeinsamen Anschluß der Kondensatoren 28, 29 abgenommen und mit dem Zähler 35 gezählt. Diese Zählwerte werden zu Digitalwerten f _A, f _B digitalisiert und in die Prozeß- und Steuereinheit 36 eingegeben. Diese Einheit 36 weist u. a. einen Mikrocomputer sowie eine Speichereinheit 37 mit verschiedenen Ein/Ausgabe-Ports, ROM- und RAM-Speichern und dergl. auf.

Wie die Fig. 11 zeigt, enthält der ROM-Speicher der Einheit 37 in der Steuereinheit 36 eine lineare Transformationsgleichung zur angenäherten Berechnung der Bewegungsstrecke D aus der Frequenzdifferenz Δ f der Schwingfrequenzen wie folgt:

D = F( Δ f)

Weiterhin enthält der Speicher 37 Gleichungen zur sekundären Kurvenkorrektur, mit der sich die berechnete Bewegungsstrecke D der wahren Bewegungsstrecke ℓ wie folgt annähern läßt:

Dℓ = a 1 · D ² + b 1 · D + c 1 (positive Seite)
Dℓ = a 2 · D ² + b 2 · D + c 2 (negative Seite)

Die Koeffizienten a 1, a 2, b 1, b 2, c 1 und c 2 werden experimentell bestimmt.

Die Arbeitsweise der Prozeß- und Steuereinheit 36 soll nun anhand des Flußdiagramms der Fig. 12 erläutert werden.

Im Schritt S 1 werden die Schalter 33a, 33 b ansprechend auf ein Unterbrechungssignal aus dem Zeitgeber 38 zu vorbestimmten Zeitpunkten geöffnet/geschlossen, so daß die Frequenzdifferenz Δ f (= f _A-f _B) aus den vom Zähler 35 gelieferten Werten f _A, f _B der Schwingfrequenzen berechnet werden kann. Im Schritt S 2 wird mit der im Speicher 37 enthaltenen Transformationsgleichung D = F( Δ f) die Bewegungsstrecke D der Sonde relativ zum Bezugspunkt berechnet. Im Schritt S 3 wird das Vorzeichen der berechneten Bewegungsstrecke D ermittelt und eine diesem entsprechende sekundäre Korrekturgleichung aus dem Speicher 37 ausgelesen. Mit dieser wird in den Schritten S 4, S 5 eine der wahren angenäherte Bewegungsstrecke Dℓ berechnet und auf die Anzeigeeinheit 25 (Schritt S 6) gegeben.

Das Gehäuse 21 enthält weiterhin eine Batterie 39 und eine an diese angeschlossene Versorgungsschaltung 40 zur Speisung der elektronischen Bauelemente mit einer Betriebsspannung V _D.

Bei einer wie oben beschrieben aufgebauten Verschiebungsmeßvorrichtung wird aus den mit einem Zähler 35 ermittelten Schwingfrequenzen f _A, f _B deren Differenz Δ f, aus dieser über eine lineare Transformation D = F( Δ f) ein Näherungswert der Bewegungsstrecke D und schließlich aus diesem unter Verwendung der im Speicher 37 abgelegten Korrekturgleichung der sekundären Kurve bzw. der Kurve zweiten Grades eine der wahren Bewegungsstrecke ℓ angenäherte Bewegungsstrecke Dℓ berechnet.

Wie oben beschrieben, wird die berechnete Bewegungsstrecke D unte Anwendung der Korrekturgleichung der sekundären Kurve bzw. der Kurve zweiten Grades wieder korrigiert, so daß die der wahren Bewegungsstrecke ℓ angenäherte Bewegungsstrecke Dℓ erhalten werden kann. Die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Entfernungsmeßvorrichtung ist also erheblich höher als die herkömmlicher Vorrichtungen dieser Art.

Die Fig. 13 zeigt einen Zusammenhang zwischen der wahren Bewegungsstrecke ℓ der Sonde 23, wie sie mit einer anderen Meßvorrichtung ermittelt wurde, und dem Fehler (ℓ-D) zwischen dieser wahren und der mit der hier erläuterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung berechneten Bewegungsstrecke. Wie in Fig. 13 ersichtlich, ist der Fehler auf maximal 10 µm oder weniger verringert. Es wird also die Genauigkeit der Meßvorrichtung erheblich verbessert.

Bei der Bewegung der Sonde (23) einer Verschiebungsmeßvorrichtung nimmt sie ein Kernelement (34) mit, das in den Spulen (31, 32 a, 32 b) eines Oszillators (26) sitzt. Aus der durch die Kernbewegung verursachten Änderung der Schwingfrequenz wird die Bewegungsstrecke der Sonde (23) berechnet. Soll eine genaue Bestimmung der Bewegungsstrecke des Kernelements (34) erfolgen, muß der nichtlineare Zusammenhang zwischen dieser und der Schwingfrequenz berücksichtigt werden. Hierzu wird der Zusammenhang zunächst linear bestimmt, die Bewegungsstrecke von einer Prozeß- und Steuereinheit (36) berechnet und dann mit einer sekundären Kurvenkorrektur korrigiert. Auf diese Weise ist die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung weiter höher als aus dem Stand der Technik bekannt.

Claims

1. Verschiebungsmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Sondeneinrichtung (23) zum Aufsetzen an ein Meßobjekt, eine mit der Sondeneinrichtung (23) verbundene Kernanordnung (34), einen Oszillator (26) mit einer Spule, in die die Kernanordnung (34) eingesetzt ist, einen Zähler (35) zum Bestimmen der Schwingfrequenz des Oszillators (26), eine Einrichtung (36) zur Berechnung der Bewegungsstrecke der Sondeneinrichtung (23) aus der durch die Bewegung der Kernanordnung (34) in der Spule verursachte Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators (26), eine Einrichtung (36) zur Korrektur der von der Recheneinrichtung (36) berechneten Bewegungsstrecke und eine Einrichtung (25) zur Anzeige der von der Einrichtung (36) korrigierten Bewegungsstrecke.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung (36) die Bewegungsstrecke nach einer Transformationsgleichung berechnet, die eine Proportionalität zwischen der Änderung der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (36) die von der Recheneinrichtung (36) berechneten Werte der Bewegungsstrecke nach einer Transformationsgleichung korrigiert, die eine Beziehung entsprechend einer Kurve zweiten Grades zwischen der Änderung der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (36) einen ersten Speicher (37) enthält, in dem eine Transformationsgleichung abgelegt ist, die eine Proportionalität zwischen der Änderung der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (36) einen zweiten Speicher (37) enthält, in dem eine Transformationsgleichung abgelegt ist, die eine Beziehung entsprechend einer Kurve zweiten Grades zwischen der Änderung der Schwingfrequenz und der berechneten Bewegungsstrecke beinhaltet.