DE3825927C2

DE3825927C2 -

Info

Publication number: DE3825927C2
Application number: DE3825927A
Authority: DE
Inventors: Giichiro Shimizu; Toshiharu Okuyama; Yoshio Tokio/Tokyo Jp Wakatsuki
Original assignee: MAN DESIGN CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: Nitto Kohki Co Ltd
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1991-09-05
Also published as: GB2207511B; GB8817845D0; JPS6421305U; DE3825927A1; GB2207511A; KR890002637A; KR940001737B1; US4914610A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschiebungsmeßvorrichtung mit einer Sonde zum Aufsetzen auf ein Meßobjekt, einem mit der Sonde verbundenen Kernelement, einem Oszillator mit Spulen, in die das Kernelement eingesetzt ist, einem Zähler zum Bestimmen der Schwingfrequenz des Oszilla tors, einer Recheneinrichtung zur Berechnung der Bewe gungsstrecke der Sonde aus der durch die Bewegung des Kernelementes in den Spulen verursachten Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators, einer Korrektureinrich tung zur Korrektur der von der Recheneinrichtung be rechneten Bewegungsstrecke mit einer Einrichtung zur Anzeige von Streckenwerten, die die von der Korrektur einrichtung korrigierte Bewegungsstrecke darstellen.

Bei einem bekannten Verfahren zur Temperaturkompensation der digitalen Signalausgabe einer Schaltungsanordnung zur Messung einer Wegstrecke gemäß der DE-OS 34 10 292 findet eine Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der ein gangs erwähnten Art Anwendung, bei der die Frequenz ihres Oszillators sich abhängig von der Stellung einer einen induktiven Weggeber bildenden Kernanordnung ändert und eine Auswertschaltung die Oszillatorfrequenz in ein digitales Wegsignal umwandelt. Zur Korrektur der tempe raturabhängigen Oszillatorfrequenz wird in einem ROM ein Grenzwert für die Wegstrecke abgelegt, der noch inner halb des von der Wegstrecke bestimmten Frequenzbereiches liegt. Der Grenzwert wird zunächst in einem RAM übernom men und zyklisch mit der Oszillatorfrequenz verglichen. Beim Überschreiten des Grenzwertes wird die Oszillator frequenz als neuer Grenzwert im RAM übernommen und die zyklisch ermittelte Oszillatorfrequenz wird auf den neuen Grenzwert bezogen und in ein entsprechend korrigiertes Wegsignal umgewandelt.

Ein induktiver Weggeber mit einer Luftspule und einem in die Luftspule eintauchenden Kern, dessen jeweils momen tane Eintauchtiefe abgetastet werden soll, sowie eine Ansteuerschaltung für einen induktiven Wegsensor, bei der ein Speicher Verwendung findet, gehen ferner aus der DE OS 31 02 439 bzw. der DE-OS 35 19 978 hervor.

Ein herkömmlicher Meßtaster mit Kreisskala, der als tragbare Verschiebungsmeßvorrichtung bekannt ist, mit der sich auch sehr kurze Verschiebungsstrecken - z. B. 0,1 oder 0,01 mm - eines Gegenstandes genau ermitteln lassen, wird anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert. In diesen sind:

Fig. 1 eine Darstellung einer herkömmlichen Verschie bungsmeßvorrichtung;

Fig. 2 und 3 Darstellungen der räumlichen Anordnung der Spulen und des Kerns bei der herkömmlichen Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 3 ein Blockdlagramm, das den Aufbau der herkömm lichen Verschiebungsmeßvorrichtung zeigt;

Fig. 5 der Stromlauf des Oszillators gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Änderung der Schwingfrequenz des Oszilla tors und der Bewegungsstrecke des Kerns zeigt; und

Fig. 7 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Fehler und der wahren Bewegungsstrecke zeigt.

Die Verschiebungsmeßvorichtung 1 gemäß Fig. 1 zeigt die Bewegungsstrecke einer Sonde 2 relativ zu einem Bezugs ort digital auf einer Anzeigeeinheit 3 an. Dabei wird die Bewegungsstrecke der Sonde 2 als elektrisches Signal entsprechend der Änderung der Schwingfrequenz eines Oszillators 7 erfaßt, der in der Verschiebungsmeßvor richtung 1 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 Sekundär spulen 6a, 6b 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 8a, 8b der Sekundärspulen 6a, 6b ermittelt. Verschiebt das Kernelement 4 sich nach oben bzw. unten, ändert sich die Induktivität L zwischen den Anschlüssen 8a, 8b.

Gemäß Fig. 4, die ein Blockdiagramm der Verschiebungs meßvorrichtung 1 zeigt, weist ein Colpitts-Oszillator 9 (vergl. auch Fig. 5) die Spule L zwischen den Anschlüs sen 8a, 8b, einen Festkondensator C1, einen veränderba ren Kondensator C2 sowie einen Transistor Tr auf. Der Zusammenhang zwischen der Änderung der Schwingfrequenz f des Colpitts-Oszillators 9, die sich aus der Lageänderung des mit der Sonde 2 verbundenen Kerns 4 in den Spulen 5, 6a, 6b 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 Colpitts-Oszillators 9 wird mit einem Zähler 10 erfaßt und die Bewegungsstrecke D in einer Prozeß- und Steuer einheit 11 der Verschiebungsmeßvorrichtung 1 entspre chend den Transformationseigenschaften berechnet, wie sie in Fig. 6 durchgezogen gezeigt sind. Das Ergebnis der Berechnung wird mit einer Anzeige 12 angezeigt.

Bei der Verschiebungsmeßeinrichtung 1, in der die Bewe gungsstrecke D der Sonde 2 aus der Änderung der Schwing frequenz f des Oszillators 9 berechnet wird, die sich bei, der Bewegung des mit der Sonde 2 verbundenen Kerns 4 in den Spulen 5, 6a, 6b ergibt, tritt jedoch folgendes Problem auf. Um die Bewegungsstrecke D der Sonde in der zuvor beschriebenen Weise genau bestimmen zu können, muß der Zusammenhang zwischen der wahren Ablage des Kernele mentes 4 vom Bezugsort und der Änderung der Schwingfre quenz 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 nichtli near, da er z. B. von Störungen der magnetischen Flußli nien zwischen den Spulen 5, 6a, 6b, Feldverzerrungen an den Enden des Kernelementes 4 beeinträchtigt wird (vergl. hierzu die gestrichelte Kurve in Fig. 6). Fig. 7 ist eine vergrößerte Diagrammdarstellung des Zusammen hangs zwischen der wahren Bewegungsstrecke der Sonde 2, d. h. des Kernelementes 4, für D = O und dem Fehler (1-D), der sich aus der Subtraktion der berechneten Bewe gungsstrecke D von der wahren Bewegungsstrecke 1 ergibt. Wie Fig. 7 zeigt, ändert sich der Fehler (1-D) krumm linig als Funktion der wahren Ablage und erreicht ein Maximum von etwa 20 µum (0,02 mm). Hervorzuheben ist, daß eine Änderung des Wertes des veränderbaren Kondensa tors C2 auch die Steigung der Geraden 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 Längenmeßvorrichtun gen; dieser Fehler ist für übliche Messungen zulässig.

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

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verschie bungsmeßvorrichtung gemäß der eingangs erwähnten Art anzugeben mit der die Bewegungsstrecke einer mit einem Meßobjekt in Berührung befindlichen Sonde entsprechend der Änderungsgröße in der Schwingfrequenz des Oszilla tors in genauerer Weise als beim Stand der Technik ermittelbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Recheneinrichtung die Bewegungsstrecke nach einer Transformationsgleichung berechnet, die eine Proportio nalität zwischen der Änderung der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet, und daß die Korrektur einrichtung die von der Recheneinrichtung berechneten Werte der Bewegungsstrecke nach einer Transformations gleichung korrigiert, die eine Beziehung entsprechend einer Kurve zweiten Grades zwischen der Änderung der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet.

Vorzugsweise enthält die Recheneinrichtung einen Spei cher, in dem eine Transformationsgleichung abgelegt ist, die eine Proportionalität zwischen der Änderungsgröße der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet. Die Korrektureinrichtung kann einen Speicher enthalten, in dem eine Transformationsgleichung abgelegt ist, die eine Beziehung entsprechend einer Kurve zweiten Grades zwischen der Größe der Änderung der Schwingfrequenz und der berechneten Bewegungsstrecke beinhaltet.

Da die erfindungsgemäße Verschiebungsvorrichtung die aus der Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators berech nete Bewegungsstrecke einer sekundären Kurvenkorrektur unterwirft, läßt sich durch genauere Annäherung der ermittelten an die wahre Bewegungsstrecke die Meßgenau igkeit erhöhen. Mit der erfindungsgemäßen Verschiebungs meßvorrichtung ist in überraschender Weise eine Verbes serung dahingehend möglich, daß der Fehler in der Er mittlung zur tatsächlichen Bewegungsstrecke auf maximal 10 µm verringert wird.

Die erfindungsgemäße Verschiebungsmeßvorrichtung wird nun anhand der Fig. 8 bis 13 der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer Ausfüh rungsform der Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 9 ein Blockdiagramm, das den Aufbau der Ausfüh rungsform der Verschiebungsmeßvorrichtung zeigt;

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

Fig. 11 der Inhalt eines Speicherbereichs in einer Speichereinheit einer Rechensteuerung der Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 12 ein Flußdiagramm, aus dem die Arbeitsweise der Rechensteuerung im Blockdiagramm der Fig. 9; und

Fig. 13 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Fehler und der wahren Bewegungsstrecke bei Verwendung der Verschiebungsmeßvorrichtung zeigt.

Wie aus Fig. 8 hervorgeht, weist die Verschiebungsmeß einrichtung eine Sonde 23 auf, die über einen Führungs schaft 22 an der Unterseite eines Gehäuses 21 in Gestalt eines im wesentlichen rechteckigen Parallelepipeds angebracht ist und sich relativ zu diesem auf- und abwärts bewegen kann. Verschiedene Funktionstasten 24 für die Betriebsartenwahl, den Nullabgleich und derglei chen 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 6-stellige Zahl aus.

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

Ein am Schaft der Sonde 23 angebrachtes Kernelement 34 verläuft durch die Spulen 31, 32a, 32b und ist über eine Feder im Oberteil des Gehäuses 21 festgelegt. Wird die Sonde 23 nach oben ausgelenkt, verschiebt sich das Kernelement 34 zur Sekundärspule 32a hin und vergrößert die Kopplungskapazität zwischen der Primärspule 31 und der Sekundärspule 32a. Wird die Sonde 23 nach unten ausgelenkt, verschiebt sich das Kernelement 34 zur unteren Sekundärspule 32b und vergrößert deren Kopp lungskapazität zur Primärspule 31.

Befindet sich das Kernelement 34 in der Mitte der Primärspule 31 (Bezugslage), ist beim Schließen nur des Schalters 33a die Frequenz f_A des Colpitts-Oszillators 26 gleich der Schwingfrequenz f_B beim Schließen nur des Schalters 33b. Nimmt das Kernelement 34 eine andere als die Bezugslage ein, weichen f_A und f_B voneinander ab. Die Frequenzdifferenz Δf (= f_A-f_B) entspricht der Verschiebung des Kernelementes 34 aus der Bezugslage. Der Zusammenhang zwischen der Frequenzdifferenz Δf und der Verschiebung 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 einem Zähler 35 gezählt. Diese Zählwerte werden zu Digitalwerten f_A, f_B digitalisiert und in eine Korrek tureinrichtung 36 eingegeben. Diese Korrektureinrichtung 36 weist u. a. einen Mikrocomputer sowie einen Speicher 37 mit verschiedenen Ein/Ausgabe-Ports, ROM- und RAM- Speichern und dergleichen auf.

Wie Fig. 11 zeigt, enthält der ROM-Speicher des Spei chers 37 in der Recheneinrichtung 36 eine lineare Trans formationsgleichung zur angenäherten Berechnung der Bewegungsstrecke D aus der Frequenzdifferenz Δf der Schwingfrequenzen wie folgt:
D = F (Δf).

Weiterhin enthält der Speicher 37 Gleichungen zur sekun dären Kurvenkorrektur, mit der sich die berechnete Bewegungsstrecke D der wahren Bewegungsstrecke 1 wie folgt annähern läßt:
D1 = a1×D²+b1×D+c1 (positive Seite),
D1 = a2×D²+b2×D+c2 (negative Seite).

Die Koeffizienten a1, a2, b1, b2, c1 und c2 werden experimentell bestimmt.

Die Arbeitsweise der Korrektureinrichtung 36 soll nun anhand des Flußdiagramms der Fig. 12 erläutert werden.

Im Schritt S1 werden die Schalter 33a, 33b ansprechend auf ein Unterbrechungssignal aus dem Zeitgeber 38 zu vorbestimmten Zeitpunkten geöffnet/geschlossen, so daß die Frequenzdifferenz Δf (= f_A-f_B) aus den vom Zähler 35 gelieferten Werten f_A, f_B der Schwingfrequenzen berechnet werden kann. Im Schritt S2 wird mit der im Speicher 37 enthaltenen Transformationsgleichung D = F (f) die Bewegungsstrecke D der Sonde relativ zum Bezugspunkt berechnet. Im Schritt S3 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 S4, S5 eine der wahren angenäherte Bewegungs strecke D1 berechnet und auf die Anzeigeeinheit 25 (Schritt S6) gegeben.

Das Gehäuse 21 enthält weiterhin eine Batterie 39 und eine an diese angeschlossene Versorgungsschaltung 40 zur Speisung der elektronischen Bauelemente mit einer Be triebsspannung V_D.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Verschiebungs meßvorrichtung wird aus den mit einem Zähler 35 ermit telten Schwingfrequenzen f_A, f_B deren Differenz Δf, aus dieser über eine lineare Transformation D = F (Δf) 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 1 ange näherte Bewegungsstrecke D1 berechnet.

Die berechnete Bewegungsstrecke D wird unter Anwendung der Korrekturgleichung der sekundären Kurve bzw. der Kurve zweiten Grades wieder korrigiert, so daß die der wahren Bewegungsstrecke 1 angenäherte Bewegungsstrecke D1 erhalten werden kann. Die Verschiebungsmeßvorrichtung weist somit eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit auf.

Fig. 13 zeigt einen Zusammenhang zwischen der wahren Bewegungsstrecke 1 der Sonde 23, wie sie mit einer anderen Verschiebungsmeßvorrichtung ermittelt wurde, und dem Fehler (1-D) zwischen dieser wahren und der mit der beschriebenen Ausführungsform der Verschiebungsmeß vorrichtung berechneten Bewegungsstrecke. Wie in Fig. 13 ersichtlich, ist der Fehler auf maximal 10 µm oder weniger verringert, d. h. die Genauigkeit der Verschie bungsmeßvorrichtung wird erheblich verbessert.

Claims

1. Verschiebungsmeßvorrichtung mit einer Sonde zum Aufsetzen an ein Meßobjekt, einem mit der Sonde verbundenen Kernelement, einem Oszillator mit Spulen, in die das Kernelement eingesetzt ist, einem Zähler zum Bestimmen der Schwingfrequenz des Oszillators, einer Recheneinrichtung zur Berechnung der Bewegungsstrecke der Sonde aus der durch die Bewegung des Kernelementes in den Spulen verursachten Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators, einer Korrektureinrichtung zur Korrek tur der von der Recheneinrichtung berechneten Bewegungs strecke mit einer Einrichtung zur Anzeige von Strecken werten, die die von der Korrektureinrichtung korrigierte Bewegungsstrecke darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (36) die Bewegungsstrecke nach einer Transformationsgleichung berechnet, die eine Proportionalität zwischen der Änderung der Schwingfre quenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet, und 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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung einen Speicher (37) enthält, in dem eine Transformationsgleichung abgelegt ist, die eine Proportionalität zwischen der Änderungsgröße der Schwingfrequenz und der Bewegungsstrecke beinhaltet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (36) einen Speicher (37) enthält, in dem eine Transformationsgleichung abgelegt ist, die eine Beziehung entsprechend einer Kurve zweiten Grades zwischen der Größe der Änderung der Schwingfrequenz und der berechneten Bewegungsstrecke beinhaltet.