DE4105202C1 - Tilt measurer for two bodies rotating about common axis at same angular speed - directs light beam to circular masks coaxially arranged on bodies and having equal alternating transparent and opaque segments - Google Patents
Tilt measurer for two bodies rotating about common axis at same angular speed - directs light beam to circular masks coaxially arranged on bodies and having equal alternating transparent and opaque segmentsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung der Verkippung zweier relativ zueinander um mindestens eine Kippachse beweglicher und um eine gemeinsame Drehachse mit gleicher Drehzahl rotierender Körper, insb. für einen Vibrationswendekreisel; eine solche Vorrichtung ist z. B. aus der Dissetation von H. Sorg bekannt (siehe unten).The invention relates to a device for measuring the tilt two are movable relative to one another by at least one tilt axis and body rotating about a common axis of rotation at the same speed, esp. for a vibration reversing gyro; such a device is e.g. B. known from the dissertation by H. Sorg (see below).
Bei Vibrationswendekreiseln ist es bekannt, die Verkippung des Vibrationskörpers durch piezoelektrische Elemente oder auf induktive Weise zu erfassen und deren Signale über Schleifkontakte einer Auswert elektronik zuzuführen. Da die Auswerteelektronik in der Regel wie ein Rechner mit digitalen Signalen arbeitet, ist eine Umwandlung der analogen Meßsignale in verarbeitungsfähige digitale Signale notwendig.In the case of vibration reversing gyros, it is known to tilt the Vibrating body through piezoelectric elements or on inductive Way to record and their signals via sliding contacts an evaluation supply electronics. Because the evaluation electronics usually like one Computer working with digital signals is a conversion of the analog measurement signals in processable digital signals necessary.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur berührungsfreien Vermessung der Verkippung zweier relativ zueinander beweglicher Körper, insb. für die Verwendung in einem Vibrationswende kreisel zu schaffen, welche geeignet ist, digital verarbeitbare Signale zu erzeugen. Diese Aufgabe wird durch eine nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildete Vorrichtung gelöst.It is an object of the present invention to provide a device for non-contact measurement of the tilt of two relative to each other movable body, especially for use in a vibration turn to create gyroscope which is suitable for digitally processable signals to create. This task is characterized by one after the Features of claim 1 trained device solved.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem kann am besten anhand des in Fig. 1 dargestellten prinzipiellen Aufbaus eines Vibrationskreisels dargestellt werden. Bei diesem Kreisel ist der Kreiselkörper 1 über zwei Torsionsfedern 2 mit den Halterungen 3 verbunden. Diese sind ihrerseits starr auf einer Scheibe 4 befestigt. Die Scheibe wird durch einen Synchronmotor mit der konstanten Drehgeschwindigkeit ωe angetrieben. Der Kreisel 1 dreht sich dadurch ebenfalls mit der Drehgeschwindigkeit ωe um die x2-Achse. Infolge der elastischen Aufhängung durch die Torsionsfedern 2 kann der Kreisel um die x1-Achse Schwingungen ausführen, zu deren Messung die Meßgeber 5 dienen. Im Resonanzfall, wenn also die Schwingung des Kreiselkörpers 1 um die Torsionsfedern 2 exakt der Drehgeschwindigkeit ωe entspricht, ist die Amplitude dieser Resonanzschwingung proportional dem Betrag der Wendegeschwindigkeit ωp. Mit Hilfe der Phasenverschiebung der Kreiselschwingung gegenüber einer von der rotierenden Scheibe zu erzeugenden Bezugsspannung kann der Richtungssinn des Drehvektors bestimmt werden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der Disertation von Helmut Sorg, "Der Wendekreisel mit unsymmetrischem Läufer", Stuttgart 1965 beschrieben.The problem on which the invention is based can best be illustrated on the basis of the basic structure of a vibration gyro shown in FIG. 1. In this gyroscope, the gyroscope body 1 is connected to the brackets 3 via two torsion springs 2 . These in turn are rigidly attached to a disc 4 . The disc is driven by a synchronous motor with a constant speed of rotation ω e . The gyro 1 also rotates at the rotational speed ω e around the x 2 axis. As a result of the elastic suspension by the torsion springs 2 , the gyroscope can execute vibrations around the x 1 axis, the measuring transducers 5 being used to measure them. In the case of resonance, that is, when the oscillation of the gyro body 1 around the torsion springs 2 corresponds exactly to the rotational speed ω e , the amplitude of this resonance oscillation is proportional to the amount of the turning speed ω p . With the help of the phase shift of the gyroscopic vibration with respect to a reference voltage to be generated by the rotating disk, the direction of the rotation vector can be determined. Such an arrangement is described, for example, in the dissertation by Helmut Sorg, "The turning gyro with an asymmetrical rotor", Stuttgart 1965.
Die Genauigkeit eines derartigen Wendekreisels wird also durch die Genauigkeit der Vermessung der Verkippung des Kreiselkörpers 1 gegenüber der mitrotierenden Scheibe 4 bestimmt. Die vorliegende Erfindung verwendet hierzu einen berührungsfreien optischen Abgriff, der zudem noch in der Lage ist, ein gepulstes und damit zählbares und leicht in digitale Werte umsetzbares Signal zu liefern. Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Fig. 2, 3 und 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigenThe accuracy of such a gyroscope is thus determined by the accuracy of the measurement of the tilt of the gyro body 1 with respect to the rotating disc 4 . For this purpose, the present invention uses a non-contact optical tap, which is also still able to deliver a pulsed and thus countable signal that can be easily converted into digital values. The invention is explained below with reference to the embodiment shown schematically in FIGS. 2, 3 and 4. Show it
Fig. 2 eine seitliche Teilansicht auf die beiden rotierenden Körper mit Maske und optischer Abtastung; Figure 2 is a partial side view of the two rotating bodies with mask and optical scanning.
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen der rotierenden Körper mit kreisringförmiger Maske; Fig. 3 is a plan view of the rotating bodies with circular ring-shaped mask;
Fig. 4 eine Seitenansicht gemäß Fig. 1 mit gegeneinander verkippten Körpern und zeitlicher Abfolge der optischen Abtastung. Fig. 4 is a side view of FIG. 1 with bodies tilted against each other and the time sequence of the optical scanning.
Fig. 2 zeigt in einer Seitenansicht den rotierenden Teil eines Vibrationswendekreisels, wobei mit 24 die kreisförmige Trägerplatte entsprechend dem Teil 4 aus Fig. 1 bezeichnet ist und der eigentliche Kreiselkörper 21 ebenfalls als Scheibe ausgebildet und über ein nicht dargestelltes Federgelenk mit der Scheibe 24 verbunden ist. Beide Scheiben sind ohne Einwirkung äußerer Kräfte parallel ausgerichtet und drehen sich um eine gemeinsame Achse 23 (Fig. 3), wobei die Drehrichtung durch den Pfeil 22 bezeichnet wird. Fig. 2 shows a side view of the rotating part of a vibration reversing gyroscope, with 24 the circular support plate corresponding to part 4 of Fig. 1 and the actual gyroscope body 21 is also designed as a disc and is connected to the disc 24 via a spring joint, not shown . Both disks are aligned in parallel without the action of external forces and rotate about a common axis 23 ( FIG. 3), the direction of rotation being indicated by the arrow 22 .
Eine Aufsicht auf eine der Scheiben 21 bzw. 24 ist in Fig. 3 darge stellt. Daraus wird ersichtlich, daß beide Scheiben am äußeren Rand ein kreisringförmiges Feld 27 bzw. 28 aus abwechselnd transparenten und opaken Segmenten 25 bzw. 26 trägt. Die einzelnen Segmente 25 bzw. 26 haben gleiche Abmessungen. Die Maskenfelder 27 bzw. 28 der beiden Scheiben 21 bzw. 24 sind bzgl. der Rotationsachse 23 winkelmäßig etwas versetzt und hinsichtlich ihres Abstands derart angeordnet, daß ein schräg einfallender, scharf gebündelter Lichtstrahl 29 beide Maskenfelder bei absoluter Parallelstellung nicht gleichzeitig durch dringen kann. Hierzu ist über der Scheibe 24 eine Leuchtdiode 30 ange ordnet, deren Licht über eine Optik 32 zu einem Strahl 29 gebündelt wird, der unter einem Winkel α auf die Maskenfelder 28 bzw. 27 gerichtet wird. Unterhalb der Scheibe 21 ist im Strahlengang 29 eine Empfangsdiode 32 angeordnet, die mit einer nicht dargestellten Auswerte elektronik verbunden ist.A view of one of the disks 21 and 24 is shown in Fig. 3 Darge. From this it can be seen that both disks on the outer edge carry an annular field 27 or 28 made of alternately transparent and opaque segments 25 and 26 . The individual segments 25 and 26 have the same dimensions. The mask fields 27 and 28 of the two disks 21 and 24 are angularly offset with respect to the axis of rotation 23 and are arranged with respect to their spacing such that an obliquely incident, sharply focused light beam 29 cannot penetrate both mask fields at the same time with absolute parallel position. For this purpose, a light-emitting diode 30 is arranged above the disk 24 , the light of which is bundled via optics 32 to form a beam 29 which is directed onto the mask fields 28 and 27 at an angle α. A receiving diode 32 is arranged below the disk 21 in the beam path 29 and is connected to an evaluation electronics (not shown).
Bei einer durch eine äußere Winkelbeschleunigung verursachten Verkippung der Scheibe 21 um die Drehachse 33 des Federgelenkes verändert sich, wie in Fig. 4 dargestellt ist, der Abstand zwischen den Maskenfeldern 27 und 28 entsprechend der Wendegeschwindigkeit, wie eingangs beschrieben. Während im Laufe einer Umdrehung zu einem bestimmten Zeitpunkt der Lichtstrahl 29 noch nicht durch beide Masken 27 bzw. 28 gelangen kann (to), ändert sich dies durch die zunehmende Auslenkung a der Maske 28 aus ihrer Ruhelage. Mit zunehmendem Abstand a1, a2,... öffnet sich auch ein Fenster mit einer Torzeit t1, t2,... für einen unter einem Winkel α einfallenden Lichtstrahl. Da sich die beiden Maskenfel der 27 und 28 an der ortsfesten optischen Abtasteinrichtung 29, 30 und 32 vorbeibewegen, entspricht die Kippbewegung der Scheibe 21 einem zeitlichen Fenster, währenddessen das Licht der Leuchtdiode 30 auf die Fotodiode 32 gelangen kann. Die Leuchtdiode 30 wird mit hoher Pulsfre quenz betrieben, z. B. mit 55 MHz, so daß die Impulse die während einer Torzeit t auf die Fotodiode 32 gelangen, gezählt werden können. Je höher die Teilung der Maskenfelder 27 bzw. 28 ist, desto genauer läßt sich nun in einem π/2-Feld der Scheiben durch fortlaufende Summation der Licht impulse die Kippbewegung der Scheibe 21 bestimmen. Nach einer Bewegung der Scheibe um π/2 ist das Maximum der Auslenkung erreicht, so daß die Auswerteelektronik nunmehr von Summation auf Subtraktion umgeschaltet wird. Durch die kontinuierliche Summation bzw. Subtraktion der Lichtimpulse in einem π/2-Feld der Scheiben verläuft der Zählerstand der aufsummierten bzw. subtrahierten Lichtimpulse nach einer e-Funktion.In the event of a tilting of the disk 21 caused by an external angular acceleration about the axis of rotation 33 of the spring joint, as shown in FIG. 4, the distance between the mask fields 27 and 28 changes in accordance with the turning speed, as described at the beginning. During the course of a revolution at a particular time, the light beam 29 can not pass through both masks 27 and 28 (t o), this changes due to the increasing deflection a of the mask 28 from its rest position. With increasing distance a 1 , a 2 , ... a window with a gate time t 1 , t 2 , ... also opens for a light beam incident at an angle α. Since the two mask fields of FIGS. 27 and 28 move past the stationary optical scanning device 29 , 30 and 32 , the tilting movement of the disk 21 corresponds to a time window, during which the light from the light-emitting diode 30 can reach the photodiode 32 . The light emitting diode 30 is operated with a high pulse frequency, for. B. with 55 MHz, so that the pulses which reach the photodiode 32 during a gate time t can be counted. The higher the division of the mask fields 27 and 28 , the more precisely it is now possible to determine the tilting movement of the disc 21 in a π / 2 field of the panes by continuous summation of the light pulses. After a movement of the disk by π / 2, the maximum of the deflection is reached, so that the evaluation electronics is now switched from summation to subtraction. Due to the continuous summation or subtraction of the light pulses in a π / 2 field of the slices, the counter reading of the summed or subtracted light pulses is based on an e-function.
Zur winkelmäßigen Positionsbestimmung der Maskenfelder 27 bzw. 28 ist eines der Maskenfelder mit einer speziellen Markierung 26 0 versehen. Damit ist die Phasenlage der Verkippung exakt feststellbar.To determine the angular position of the mask fields 27 and 28 , one of the mask fields is provided with a special marking 26 0 . The phase position of the tilt can thus be determined exactly.
Claims (3)
daß von mindestens einer Lichtquelle (30), die bezüglich der rotieren den Körper (21, 24) ortsfest angeordnet ist, mindestens ein Lichtstrahl (29) unter einem Winkel (α) auf die Markierungen (27, 28) gerichtet ist, wobei die gegenseitige Winkellage der Masken (27, 28), deren Abstand und der Einfallswinkel (α) des mindestens einen Lichtstrahls (29) derart aufeinander abgestimmt sind,
daß in Strahlrichtung gesehen bei absolut paralleler Lage beider Masken (27, 28) die transparenten Segmente (25) der einen Maske durch die opaken Segmente (26) der anderen Maske während einer vollen Umdrehung der Masken ständig abgedeckt werden und bei einer Verkippung beider Masken (27, 28) gegeneinander der Lichtstrahl (29) während mindestens eines Teils einer Umdrehung durch beide Masken hindurchgelangt und
daß auf der der Lichtquelle (30) gegenüberliegenden Seite der Masken (27, 28) mindestens ein lichtempfindliches Element (32) im Strahlengang (29) der Lichtquelle (30) angeordnet ist
und daß das mindestens eine lichtempfindliche Element (32) mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die aus dessen zeitlichen Signalen die Verkippung der zwei Körper (21, 24) bestimmt. 1. Device for measuring the tilting of two bodies movable relative to one another about at least one tilt axis and rotating about a common axis of rotation with the same angular velocity, in particular for a vibration reversing gyroscope, characterized in that both bodies ( 21 , 24 ) each have an annular, coaxially arranged mask ( 27 , 28 ) with the same radii from the same, alternately transparent and opaque segments ( 25 , 26 ), which have a defined distance and a defined mutual angular position,
that of at least one light source ( 30 ), which is fixed with respect to the rotating body ( 21 , 24 ), at least one light beam ( 29 ) is directed at an angle (α) onto the markings ( 27 , 28 ), the mutual The angular position of the masks ( 27 , 28 ), their spacing and the angle of incidence (α) of the at least one light beam ( 29 ) are matched to one another in this way,
that seen in the beam direction when the two masks ( 27 , 28 ) are absolutely parallel, the transparent segments ( 25 ) of one mask are constantly covered by the opaque segments ( 26 ) of the other mask during a full rotation of the masks and when both masks are tilted ( 27 , 28 ) against each other the light beam ( 29 ) passes through both masks during at least part of a revolution and
that at least one light-sensitive element ( 32 ) is arranged in the beam path ( 29 ) of the light source ( 30 ) on the side of the masks ( 27 , 28 ) opposite the light source ( 30 )
and that the at least one light-sensitive element ( 32 ) is connected to evaluation electronics which determine the tilting of the two bodies ( 21 , 24 ) from its time signals.
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Cited By (1)
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| EP2982939A1 (en) * | 2014-08-07 | 2016-02-10 | Kabushiki Kaisha TOPCON | Absolute encoder and surveying device |
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| Sorg, Helmut: Der Wendekreisel mit unsymmetrischem Läufer. Dissertation Stuttgart 1965 * |
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