DE4138298B4

DE4138298B4 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße

Info

Publication number: DE4138298B4
Application number: DE4138298A
Authority: DE
Inventors: Shinzo Ito; Akihiro Kariya Daito
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-11-21
Filing date: 1991-11-21
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2011-11-22
Also published as: US5270539A; DE4138298A1; JPH04188021A; JP2715655B2

Abstract

Verfahren zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße eines beweglichen Objekts durch Einstrahlen einer Meßwelle auf einen Erfassungssensor durch eine mit dem Objekt bewegliche Schlitzeinrichtung, mit den Verfahrensschritten:
a) Einstrahlen der von einer Strahlungsquelle erzeugten Meßwelle zur Abtastung des Erfassungssensors durch die Schlitzeinrichtung, die eine Vielzahl von in unterschiedlicher Form ausgeführten abgeschirmten Bereichen und Schlitzen aufweist und die alternierend und nacheinander in einer Bewegungsrichtung des Objekts angeordnet sind,
b) Erzeugen von Taktpulsen mit konstanten Intervallen zur Steuerung des Empfangsbetriebs des Erfassungssensors,
c) Erfassen des Vorliegens oder Nichtvorliegens der durch die Schlitzeinrichtung strahlenden Meßwelle mittels Zählen der Taktpulse,
d) Bestimmen eines beliebigen Schlitzes durch Erfassen der durch diesen Schlitz hindurchtretenden Meßwelle mittels des Erfassungssensors, und
e) Erfassen einer Bewegungsgröße des bestimmten Schlitzes von einer festgelegten Bezugsposition,
gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
f) Anordnen der Strahlungsquelle, der Schlitze und des Erfassungssensors derart, daß die Meßwelle den Erfassungssensor...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße, die zur Messung einer feinen oder impulsartigen Bewegung angewendet werden können , beispielsweise zur Messung der Einspritzmenge an Kraftstoff bei einer Dieselmotor-Einspritzpumpe.

Ein Verfahren zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße wird bisher in ein solches der inkrementalen Art und ein solches der absoluten Art unterteilt. Eine Vorrichtung der inkrementalen Art zur Messung einer durchlaufenen Strecke ist in der JP-1-23048 offenbart. Bei dieser Meßvorrichtung ist eine Schlitz- oder Spaltplatte so vorgesehen, daß sie zusammen mit einem zu messenden Objekt oder Gegenstand bewegbar ist. Licht wird zum Einstrahlen auf die Schlitzplatte gebracht, wobei die durch die Schlitze der Schlitzplatte getretenen Lichtstrahlen durch einen Lichtfühler gemessen werden, so daß die Anzahl der durchgetretenen Lichtstrahlen gezählt wird, um dadurch die Bewegungsgröße der Schlitzplatte, d.h. die Bewegungsgröße des Objekts, zu messen.

Andererseits ist eine Meßvorrichtung für eine durchlaufene Strecke der absoluten Art in der JP-1-22884 beschrieben. Bei dieser Meßvorrichtung sind in einer Schlitzplatte, die sich zusammen mit einem dem Meßvorgang unterworfenen Objekt bewegt, kodierte Schlitze ausgebildet. Licht wird zum Einstrahlen auf die Schlitzplatte gebracht. Die durch die Schlitze in der Schlitzplatte getretenen Lichtstrahlen werden durch einen Lichtfühler erfaßt, um dadurch die Position eines Schlitzes vor der Bewegung des Objekts und die Position des Schlitzes nach der Bewegung des Objekts festzustellen. Abstände von einer Bezugsposition zu den jeweiligen Schlitzen werden gemessen und im voraus gespeichert. Demzufolge kann die Bewegungsgröße der Schlitzplatte durch Messen der Positionen der Schlitze, durch welche Lichtstrahlen treten, nach der Bewegung der Schlitzplatte ermittelt werden.

Aus der Druckschrift DE 38 20 687 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Konsistenz, insbesondere bei Siedepfannen für die Zuckerherstellung bekannt, wobei die Konsistenz der zu erfassenden fließfähigen Substanz mittels einer mechanischen Einrichtung vorgenommen wird, bei der ein Drehmoment auf die mechanische Einrichtung ausgeübt und eine Verdrehung innerhalb der mechanischen Einrichtung erfasst wird. Ein geeigneter optischer Sensor misst dabei in Umfangsrichtung die Größe von Lücken zwischen entsprechenden Zähnen, wobei die zeitliche Länge der Lichtdurchgänge infolge der Lücken erfaßt wird und mit den entsprechenden Dunkelzeiten in Verbindung mit den Zähnen verglichen wird. Zu diesem Zweck sind zwei zueinander verdrehbare und mit Lücken und Zähnen ausgestattete Scheiben vorgesehen. Insbesondere sind die Zähne einer der beiden Scheiben derart ausgeführt, daß eine in Umfangsrichtung gemessene Zahnbreite kleiner ist als die in Umfangsrichtung gemessene Breite der Lücken zwischen den Zähnen der anderen Scheibe.

Aus der Druckschrift DE 38 09 569 A1 ist es ferner bekannt, einen Positionsgeber mit einer Schlitzscheibe derart auszugestalten, daß auf der Scheibe eine erste Spur mit einer Vielzahl kleiner Schlitze und eine zweite Spur mit einer geringeren Anzahl von größeren Schlitzen vorgesehen sind. Zur Nullpunktsynchronisation des Positiongebers über einen kleinen Drehwinkelbereich sind auf der zweiten Spur der Schlitzscheibe die Schlitze von jeweils unterschiedlicher Breite vorgesehen. Mittels mehrerer Lichtsender und Empfänger wird bei einer Drehung der Schlitzscheibe entsprechend der Freigabe oder Abblendung des Lichts der Lichtsender durch die radial nach innen versetzte zweite Spur der Schlitzscheibe eine Information hinsichtlich der Drehwinkellage der Schlitzscheibe gebildet. Diese Information wird mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung ausgewertet.

Des weiteren ist aus der Druckschrift DE 26 19 494 C2 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines beweglichen Organs gegenüber einem zweiten Organ bekannt, wobei eine Skala durch in gleichen Abständen angeordnete Kennzeichen ausgebildet ist. Ein optisches System projiziert die von einer Lichtquelle stammenden Lichtstrahlen nach Durchlaufen der durchsichtigen Kennzeichen der Skala auf eine Detektoreinrichtung bestehend aus einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Fotodetektoren, wobei auch auf der Detektoreinrichtung das Bild eines Skalenabschnitts abgebildet wird. In Verbindung mit der Festlegung des Bezugpunkts auf der Anordnung der Photodetektoren wird mittels einer Auswerteschaltung das Ausgangssignal der abgetasteten Fotodetektoren (Fotodioten) verarbeitet und zur Bestimmung einer Lageinformation ausgewertet. Die auf der Skala vorgesehenen Kennzeichen umfassen dabei eine Vielzahl von in Skalenrichtung aufeinanderfolgenden, ein jeweiliges Codewort bildenden Marken, die mittels der Auswerteeinrichtung erfaßt und gezählt werden.

Die Druckschrift DE 39 10 873 A1 offenbart eine Positionsmeßvorrichtung für Kran- und Elektrohängebahnen, bei der aufeinanderfolgend Codemarken zu Blöcken zusammengefaßt sind und wobei jeweils eine Blockkennung zugeordnet ist. Jedes Codewort längs des zu erfassenden Bewegungswegs kommt nur einmal vor. Bei einer Bewegung des Fahrzeugs längs des Fahrweges werden ein Codeträger und eine Codelesevorrichtung gegeneinander verschoben. Die Codelesevorrichtung ermittelt die Fahrzeugbewegung mittels einer Lichtquelle und einem optischen Sensor, der das von dem Codeträger durchgelassene Licht erfaßt. Die erfaßte Information wird zur Bestimmung des Bewegungswegs ausgewertet.

Die Druckschrift DE 33 08 404 (C2) betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Relativverschiebung, wobei die Relativverschiebung gemessen wird mittels eines magnetischen Aufzeichnungsträgers mit mindestens einer Magnetspur, auf der ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet ist, und einem Magnet meßfühler mit mindestens zwei Magnet-Widerstandselementen, die in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Magnetisierungsmusters gegeneinander versetzt sind zur Erfassung eines durch das Magnetisierungsmuster erzeugten Magnetfelds. Die beiden Magnet-Widerstandselemente erzeugen zwei gleichfrequente Ausgangssignale, die in der Phase zueinander verschoben sind, und unter Differenzbildung wird das Ausgangssignal der Magnet-Widerstandselemente zur Bestimmung der Relativverschiebung ausgewertet.

Ferner offenbart die Druckschrift US 4 602 242 einen Codierer für photoelektrische Meßeinrichtungen, wobei zwei Spuren mit Codierinformationen vorgesehen sind. Eine der Spuren beinhaltet eine Adresseninformation, während die andere Spur eine Information bezüglich Bezugspositionen aufweist. Der die beiden Spuren tragende Codeträger bewegt sich relativ zu einem photoelektrischen Sensor in eine Richtung. Der photoelektrische Sensor weist eine Vielzahl von Sensorelementen auf, wobei die Ausgangssignale des photoelektrischen Sensors zur Auswertung weiterverarbeitet und in ein digitales Signal umgewandelt werden.

Die folgenden Probleme treten im allgemeinen bei Verfahren und Vorrichtungen zur Messung einer bewegten Strecke nach dem Stand der Technik auf.

Bei der inkrementalen Art wird die Anzahl der Schlitze, durch die das Licht zum Lichtfühler tritt, durch ein Zählwerk gemessen. Daher kann in einem Fall, da sich das Objekt mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegt, der Zähler nicht der hohen Geschwindigkeit der Schlitzbewegung folgen. Hieraus rührt das Problem, daß die Bewegungsgröße nicht genau gemessen werden kann.

Dagegen besteht bei der absoluten Art kein Problem in bezug auf den Vorgang des Nachfolgens. Jedoch kann nicht nur ein sich bewegendes Objekt nicht gemessen werden, sondern hängt die im Minimum meßbare Größe einer Bewegungsstrecke von dem Schlitzintervall zwischen jeweils in der Schlitzplatte ausgebildeten Schlitzen ab. Wenn der zu messende Abstand kleiner wird, so ist es demzufolge notwendig, den Schlitzabstand körperlich schmaler oder kleiner auszugestalten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, auf einfache Weise eine schnelle und genaue berührungsfreie Messung einer Bewegungsgröße zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße eines beweglichen Objekts wird eine Meßwelle einer Strahlungsquelle durch eine Schlitzscheibe auf einen Erfassungssensor geleitet. Die Strahlungsquelle, die Schlitze und der Erfassungssensor sind derart angeordnet, daß die Meßwelle den Erfassungssensor durch zumindest einen der Vielzahl der Schlitze abtastet und wobei ein Signal bezüglich des Vorliegens der ausgestrahlten Meßwelle beim Durchlaufen der Schlitzscheibe gebildet wird, und andernfalls ein Signal gebildet wird, das die Abwesenheit der Meßwelle und somit die Abschirmung der Meßwelle durch einen abschirmenden Bereich zwischen den Schlitzen angibt.

Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Erfassung der absoluten Position der Schlitzplatte, da immer zumindest ein Schlitz der Schlitzplatte ausgeleuchtet ist und daher immer ein Erfassungssignal mittels des Erfassungssensors erzeugt werden kann. Somit kann die absolute Drehstellung bei einer bestimmten Drehposition der Schlitzplatte erfaßt werden, auch wenn die Schlitzplatte steht, beispielsweise bei einer Messung der Position der Schlitzplatte, nachdem die Leistungszufuhr zum beweglichen Objekt abgeschaltet wurde und das bewegliche Objekt zum Stehen gekommen ist.

Nach der Bewegung eines dem Meßvorgang unterliegenden Objekts tritt die Meßwelle von der aussendenden Quelle durch Schlitze, um von der Empfangseinrichtung aufgenommen zu werden.

Um die Position der Schlitzplatte zu messen, wird ein Schlitz, durch den die Meßwelle tritt, spezifiziert, so daß der Abstand zwischen einer Position des Empfangs der Meßwelle an der Empfangsfläche der Empfangseinrichtung und einer Bezugsposition ermittelt wird. Da die Empfangsposition und die Schlitzposition für jeden Schlitz im voraus gespeichert sind, wird die Position des Schlitzes automatisch gemessen, wenn der Schlitz, durch den die Meßwelle tritt, spezifiziert werden kann, und die Empfangsposition der Meßwelle kann festgestellt werden.

In den Unteransprüchen sind vorteihafte Ausgestaltungen der Erfindung angeeben.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Schaltplan einer Ausführungsform einer Vorrichtung,
2 ein Wellenform-Diagramm, das verschiedene Ausgangssignale von jeweiligen Vorrichtungen darstellt,
3 einen Schnitt einer Vorrichtung, und
4 einen schematischen Schnitt einer Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform.
Als Beispiel werden im folgenden ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung erläutert, die dazu dienen, die Einspritzmenge von Kraftstoff bei einer Dieselmotor-Einspritzpumpe zu messen.
Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Messung der Kraftstoff-Einspritzmenge bei einer Einspritzpumpe für einen Dieselmotor. Hierbei ist in einer zylindrischen Führung 12 ein Kolben 10 angeordnet derart, daß er darin flüssigkeitsdicht verschiebbar ist. Kraftstoff von der Einspritzpumpe wird in einen von der Führung 12 und dem Kolben abgegrenzten Zylinderraum 11 eingespritzt, so daß der Kolben 10 in Übereinstimmung mit der eingespritzten Kraftstoffmenge in der Richtung des in 3 angegebenen Pfeils aufwärts bewegt wird.
Am oberen Ende des Kolbens 10 ist eine Schlitzplatte 22 mit einer Mehrzahl von Schlitzen 23 befestigt. Bei einer Bewegung des Kolbens 10 geht die Schlitzplatte 22 in Übereinstimmung mit den durch den Doppelpfeil X in 3 angegebenen Richtungen hin bzw. her. Am oberen Endbereich der Schlitzplatte 22 ist ein Paar von Führungsrollen 24 angeordnet, durch die die Schlitzplatte 22 klemmend geführt wird, so daß nicht nur ein Drehen der Schlitzplatte 22 verhindert sondern auch deren geradlinige Hin- und Herbewegung gewährleistet wird.
Eine als eine Signalerzeugungsquelle dienende Lampe 16 ist auf der einen Seite der Schlitzplatte 22 angeordnet und mit einer elektrischen Energiequelle 15 verbunden, so daß die Lampe 16 einer Meßwelle äquivalentes Licht aussendet. Eine Projektionslinse 18 ist zwischen der Lampe 16 und der Schlitzplatte 22 angeordnet, um von der Lampe 16 divergierend ausgehende Strahlen in parallele Strahlen zu kollimieren. Eine Kondensorlinse 20 befindet sich auf der zur Projektionslinse 18 entgegengesetzten Seite der Schlitzplatte 22, um die aus den Schlitzen 23 austretenden Strahlen von der Lampe 16 zu konzentrieren. Für den Empfang der Lichtstrahlen ist ein Zeilen- oder Liniensensor vorhanden, der aus einer Vielzahl von Lichterfassungselementen, wie ladungsgekoppelten Elementen, besteht. Von den Lichterfassungselementen erzeugte, die Ermittlung von Lichtstrahlen kennzeichnenden Signale. werden zu einem Verstärker, worauf noch eingegangen werden wird, übertragen.
Die Lampe 16, die Projektionslinse 18, die Kondensorlinse 20, die Schlitzplatte 22 und der Zeilensensor 26 sind zusammen innerhalb eines Gehäuses 14 untergebracht, das derart ausgebildet ist, daß Außenlicht nicht in das Gehäuse 14 eintreten kann.
Die 1 zeigt schematisch einen Schaltplan zur Verarbeitung der vom Zeilensensor 26 erlangten Lichterfassungssignale.
Mit dem Zeilensensor 26 ist elektrisch ein Treiberkreis 28 verbunden, der ein Startsignal ausgibt, um den Zeilensensor 26 auszulösen, ein Endesignal ausgibt, um den Zeilensensor 26 stillzusetzen, und Taktimpulse ausgibt. Die Ausgangsseite des Zeilensensors 26 ist zur Verstärkung des Ausgangs von diesem mit einem Verstärker 32 verbunden. Die Ausgangsseite des Verstärkers 32 ist an einen Vergleicher 34 angeschlossen, um das durch den Verstärker 32 verstärkte Signal mit einem Bezugswert zu vergleichen, so daß das Signal in ein Digitalsignal "1" oder "0" umgesetzt wird.
Der Vergleicher 34 ist unmittelbar mit einer ersten Flip-Flop-Schaltung 36 und über einen Inverter 40 mit einer zweiten Flip-Flop-Schaltung 42 verbunden. Der J-Eingangsanschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 ist immer auf "1" gesetzt, während der K-Eingangsanschluß der Schaltung 36 immer auf "0" eingestellt ist. Am CK-Eingangsanschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 wird das Digitalsignal vom Vergleicher 34 empfangen. Der Q-Ausgangsanschluß dieser ersten Flip-Flop-Schaltung 36 ist an ein erstes UND-Glied 38 angeschlossen, während der Q-Ausgangsanschluß dieser Schaltung 36 mit einem zweiten UND-Glied 44 verbunden ist. Der CLR-Anschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 empfängt das Endesignal vom Treiberkreis 28.
Der Inverter 40 kehrt den Zustand "0" oder "1" des vom Vergleicher 34 empfangenen Digitalsignals um, und dieses umgekehrte Signal wird der zweiten Flip-Flop-Schaltung 42 eingegeben. Der J-Eingangsanschluß der zweiten Flip-Flop-Schaltung 42 wird immer auf "1" gesetzt, während der K-Eingangsanschluß dieser Schaltung 42 ständig auf "0" gesetzt ist. Der Q-Ausganganschluß dieser Schaltung 42 ist mit einem zweiten UND-Glied 44 verbunden. Am CLR-Anschluß der zweiten Flip-Flop-Schaltung 42 liegt das Endesignal vom Treiberkreis 28.
Das erste UND-Glied 38 empfängt das Taktimpulssignal vom Treiberkreis 28, so daß ein durch eine UND-Verknüpfung des Taktimpulssignals und des Ausgangssignals vom Q-Ausgangsanschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 erhaltenes UND-Signal einem ersten Zähler 48 eingegeben wird.
Das Ausgangssignal vom zweiten UND-Glied 44 wird einem dritten UND-Glied 46 zugeführt, das auch das Taktimpulssignal vom Treiberkreis 28 empfängt. Als Ergebnis wird ein durch UND-Verknüpfung der beiden Signale erhaltenes UND-Signal einem zweiten Zähler 50 eingegeben.
Der erste und zweite Zähler 48 sowie 50 beginnen das Messen der Impulsanzahl im Eingangssignal im Ansprechen auf das vom Treiberkreis 28 empfangene Startsignal und beenden das Messen im Ansprechen auf das Endesignal. Das Meßergebnis y des ersten Zählers 48 und das Meßergebnis z des zweiten Zählers 50 werden einem Umsetzer 52 zugeführt, um in diesem eine Adresse (y, z) zu erzeugen. Diese Adresse (y, z) wird durch einen Schalter 56 geführt, so daß sie einem Datenspeicher 58 im Fall einer Eichung der Meßvorrichtung zugeführt wird, oder sie wird einem Positionsinformation-Erzeuger 60 im Fall der Messung der Bewegungsgröße zugeführt.
Wenn die Meßvorrichtung oder -apparatur geeicht werden soll, wird mit dem unteren Ende der Schlitzplatte 22 eine Bezugslängen-Meßvorrichtung 30 verbunden, die von einem optischen Fühler inkrementaler Art gebildet wird, um die Bewegungsgröße der Schlitzplatte aus einer Bezugsposition heraus zu ermitteln. Das Ermittlungssignal wird einem Meßgrößenwandler 62 zugeführt, um in eine reale Bewegungsgröße x umgewandelt zu werden. Die Bewegungsgröße x wird dem Datenspeicher 58 zugeführt, um mit den gleichzeitig erhaltenen Meßergebnissen y und z als Bezugsangabe (x, y, z), die im Datenspeicher 58 zu speichern ist, kombiniert zu werden. Wenn die Eichung der Meßapparatur durch den oben beschriebenen Prozeß beendet ist, wird die Bezugslängen-Meßvorrichtung 30 entfernt und dann die Schlitzplatte 22 mit dem Kolben 10, wie oben unter Bezugnahme auf 3 erwähnt wurde, verbunden. Zwischen dem Meßgrößenwandler 62 und dem Datenspeicher 58 ist ein Schalter 54 angeordnet, so daß der Wandler 62 und der Speicher 58 miteinander zur Zeit des Eichens verbunden und voneinander zur Zeit des Messens getrennt werden können. Die Schalter 56 und 54 sind miteinander verknüpft.
Auf der Grundlage der (y, z)-Information, die vom Umsetzer 52 empfangen wird, erlangt der Positionsinformation-Erzeuger 60 eine entsprechende Bewegungsgröße x aus den im Speicher 58 gespeicherten Angaben, um dadurch die Bewegungsgröße x mit Hilfe eines Displays 64, z.B. einer Kathodenstrahlröhre od. dgl., sichtbar darzustellen.
Unter Bezugnahme auf das Wellenform-Diagramm von 2 werden im folgenden die Arbeitsweise der Vorrichtung und das Meßverfahren erläutert.
Es wird eine Eichung durchgeführt, damit der Datenspeicher 58 in der Lage ist, die Bezugsangaben (x, y, z) zu speichern. Das Verfahren für die Eichung wird später beschrieben. Wenn das Eichen beendet ist, wird die Schlitzplatte 22 mit dem Kolben 10 verbunden. Eine Flüssigkeit, z.B. Kraftstoff von der Dieselmotor-Einspritzpumpe wird in den in der Führung 12 ausgebildeten Zylinderraum 11 eingespritzt. Durch die eingespritzte Flüssigkeit wird der Kolben 10 in 3 aufwärts bewegt, so daß auch die Schlitzplatte 22 eine Aufwärtsbewegung ausführt.
Von der Energiequelle 15 wird der Lampe 16 Energie zugeführt, so daß Licht abgegeben wird, dessen Strahlen mit Hilfe der Projektionslinse 18 zu parallelen Strahlen kollimiert werden, die durch die Schlitze 23 treten. Die durch die Schlitze 23 gelangten Strahlen werden durch die Kondensorlinse 20 konzentriert und zum Einfallen auf die Lichtermittlungsfläche des Zeilensensors 26 gebracht.
Der Zeilensensor 26 empfängt das Startsignal S vom Treiberkreis 28 und erzeugt ein (durch die Wellenform A in 2 wiedergegebenes) Signal, das der durch die Lichtermittlungselemente, die an der Lichtempfangsfläche angeordnet sind, ermittelten Lichtintensität entspricht. Dieses Signal wird durch den Verstärker 32 verstärkt und dann durch den Vergleichen 34 mit einem Schwellenwert L verglichen, um dadurch in ein Digitalsignal "0" oder "1" (die Wellenform B in
2) umgewandelt zu werden. Dieses umgewandelte Digitalsignal wird der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 eingegeben. deren J- und K-Eingangsanschlüsse jeweils ständig auf "1" bzw. "0" gesetzt sind. Wenn das Signal vom Vergleichen 34 im "0"-Zustand ist, so wird folglich ein "1"-Signal vom Q-Ausgangsanschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 abgegeben. Wird vom Vergleicher 34 ein "1"-Zustandsignal abgegeben, so wird vom Q-Ausgangsanschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 ein "0"-Zustandsignal (die Wellenform C in 2) ausgegeben.
Das erste UND-Glied 38 empfängt das Signal vom Q-Ausgangsanschluß der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 und ebenfalls das Taktimpulssignal vom Treiberkreis 28, so daß dieses erste UND-Glied 38 Taktimpulse in einer Periode ausgibt, in der das Signal vom Q-Ausgangsanschluß auf "1" ist (die Wellenform F in 2). Die Anzahl der vom ersten UND-Glied 38 ausgegebenen Taktimpulse wird durch den ersten Zähler 48 gezählt. Der gezählte Wert y entspricht der Strecke zwischen der Bezugsposition N (im vorliegenden Fall dem äußersten Teil der Lichtempfangsfläche) an der Lichtempfangsfläche des Zeilensensors 26 und dem Kantenabschnitt des ersten Schlitzes 23.
Die erste Flip-Flop-Schaltung 36 gibt von ihrem Q-Ausgangsanschluß ein Signal ab, das ein invertiertes Signal des Ausgangssignals von ihrem Q-Ausgangsanschluß ist. Andererseits gibt die zweite Flip-Flop-Schaltung 42 von ihrem Q-Anschluß ein "1"-Zustandsignal (die Wellenform D) ab, bevor der Zustand des Ausgangssignals vom Vergleicher 34 von "1" nach "0" übergeht. Bei Empfang des Q-Ausgangssignals von der ersten Flip-Flop-Schaltung 36 und des Signals vom Q-Ausgangsanschluß der zweiten Flip-Flop-Schaltung 42 gibt das zweite UND-Glied 44 ein Signal ab, das der Breite eines Schlitzes 23 (die Wellenform E in 2) entspricht. Da die jeweiligen Schlitze 23 in der Breite unterschiedlich ausgebildet sind, kann durch die Breite des Schlitzes 23 ein solcher, durch welchen gegenwärtig Licht tritt, spezifiziert werden.
Bei Empfang des Ausgangssignals vom zweiten UND-Glied 44 und des Taktimpulssignals vom Treiberkreis 28 gibt das dritte UND-Glied 46 Taktimpulse aus, die der Breite des Schlitzes 23 entsprechen (die Wellenform G in 2). Die Anzahl der Taktimpulse wird durch den zweiten Zähler 50 gezählt.
Sowohl der Zählwert y des ersten Zählers 48 als auch der Zählwert z des zweiten Zählers 50 werden dem Umsetzer 52 zugeführt, so daß in diesem eine Adresse (y, z) erzeugt wird. Diese Adresse wird durch den Positionsinformation-Erzeuger 60 gelesen, und die Bewegungsgröße x der Schlitzplatte, die der Adresse entspricht, wird aus den im Datenspeicher 58 gespeicherten Bezugsangaben ausgelesen. Die Bewegungsgröße x wird am Display 62 dargestellt. Die Einspritzmenge von der Dieselmotor-Einspritzpumpe kann durch Messen der Bewegungsgröße der Schlitzplatte 22, d.h. durch Messen der Bewegungsgröße des Kolbens 10, gefunden werden.
Wenn die oben beschriebene Messung einmal beendet ist, wird vom Treiberkreis 28 das Endesignal K erzeugt und den CLR-Anschlüssen der ersten sowie zweiten Flip-Flop-Schaltung 36 und 42 zugeführt. Als Ergebnis dessen werden die Ausgänge von den beiden Flip-Flop-Schaltungen initialisiert. Ferner wird das Endesignal K dem ersten und zweiten Zähler zugeführt, so daß diese beiden Zähler das Zählen der Impulsanzahl beenden.
Im folgenden wird ein Eichungsverfahren, wobei Bezugsangaben im Datenspeicher 58 gespeichert werden, beschrieben.
Die Bezugslängen-Meßvorrichtung 30 wird mit dem unteren Ende der Schlitzplatte 22 verbunden, die mit Intervallen eines feinen Abstandes mit Hilfe eines Mikrometers od. dgl. bewegt wird. Wann immer die Schlitzplatte um einen feinen Abstand oder eine feine Strecke bewegt wird, dann wird die Position der Schlitzplatte 22 durch die Bezugslängen-Meßvorrichtung 30 gemessen. Der Wert der Position wird in die reale Bewegungsgröße x von der Bezugsposition aus durch den Meßgrößenwandler 62 umgesetzt. Gleichzeitig werden durch das erwähnte Zählverfahren Zählwerte y und z erlangt, um einen Wert der Bewegungsgröße x, der den Zählwerten y sowie z entspricht, im Datenspeicher 58 zu speichern. Als Ergebnis werden Bezugsangaben x, y und z erzeugt. Zur Zeit eines Eichens wird der Schalter 54 betätigt, um den Meßgrößenwandler 62 und den Datenspeicher 58 miteinander zu verbinden, und es wird der Schalter 56 geschaltet, um den Umsetzer 52 sowie den Datenspeicher 58 zu verbinden.
Wenngleich bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall gezeigt wurde, wobei die Lampe 16 zur Anwendung kommt, so kann die Erfindung auch dann Anwendung finden, wenn eine stroboskopische Lichtquelle 161 verwendet wird, wie in 4 gezeigt ist. In diesem Fall wird vom Treiberkreis 28 ein Startsignal der synchronen Beleuchtungsschaltung 162 zugeführt, um die stroboskopische Lichtquelle für eine Zeit von 1,1 μs zum Leuchten zu bringen.
Eine Verlagerung mit hoher Bewegungsgeschwindigkeit kann unter Verwendung der erwähnten stroboskopischen Lichtquelle 161 gemessen werden. Wenn beispielsweise ein stroboskopisches Aufleuchten mit einer Zeit von 1 μs und eine Ladungsspeicherzeit des ladungsgekoppelten Elements miteinander synchronisiert werden, dann ergibt sich der Effekt, daß eine Bewegung von 1 MHz aufgenommen werden kann.
Obwohl die vorstehende Ausführungsform sich auf den Fall bezogen hat, wobei Lichtstrahlen als die zu messende Welle (Meßwelle) verwendet werden, so kann die Erfindung auch auf den Fall Anwendung finden, wobei anstelle von Lichtstrahlen magnetische Kraftlinien zum Einsatz kommen.
Bei dem geschilderten Meßverfahren und der geschilderten Meßvorrichtung kann die Meßgenauigkeit im Ausmaß des Auflösungsvermögens des Zeilensensors gesteigert oder verbessert werden. Eine Messung mit einem Auflösungsvermögen von 0,6 μm kann bei diesem Beispiel ausgeführt werden. Da ferner die Bewegungsgröße nach dem Abschluß der Bewegung der Schlitzplatte gemessen wird, gibt es keinen Einfluß auf die Messung der Bewegungsgröße selbst dann, wenn sich die Schlitzplatte stoß- oder impulsartig bewegt.
Mit dem Meßverfahren und der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung kann nicht nur der Bewegung mit hoher Geschwindigkeit eines zu messenden Objekts gefolgt werden, sondern auch die gemessene Strecke im Ausmaß oder Umfang eines feinen Meßbereichs gemessen werden.
Für eine berührungsfreie Messung einer Bewegungsgröße, z.B. der Einspritzmenge an Kraftstoff von einer Dieselmotor-Einspritzpumpe, wird eine Schlitzplatte mit einer Mehrzahl von zueinander unterschiedlich ausgestalteten Schlitzen so vorgesehen, daß sie in vorbestimmten Richtungen mit der Bewegung eines Positionsermittlung-Zielobjekts bewegbar ist. Eine Meßwelle wird zum Einstrahlen auf die Schlitzplatte gebracht. Das Auftreten eines Empfangs der zu ermittelnden Welle (Meßwelle); die durch die Schlitze tritt, wird an einer Empfangsfläche, die breiter als die Breite der Schlitze in einer Bewegungsrichtung ist, festgestellt.
Der Abstand zwischen einer Empfangsgrenzlinie und einem Endabschnitt der Empfangsfläche wird gemessen. Ein Schlitz, durch den die Meßwelle tritt, wird spezifiziert. Die Beziehung der Bewegungsgröße der Empfangsgrenzlinie von einer Bezugsposition aus wird für jeden Schlitz im voraus berechnet. Die Bewegungsgröße von der Bezugsposition aus wird auf der Grundlage der gemessenen Strecke der Empfangsgrenzlinie und des spezifizierten Schlitzes ermittelt.

Claims

Verfahren zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße eines beweglichen Objekts durch Einstrahlen einer Meßwelle auf einen Erfassungssensor durch eine mit dem Objekt bewegliche Schlitzeinrichtung, mit den Verfahrensschritten: a) Einstrahlen der von einer Strahlungsquelle erzeugten Meßwelle zur Abtastung des Erfassungssensors durch die Schlitzeinrichtung, die eine Vielzahl von in unterschiedlicher Form ausgeführten abgeschirmten Bereichen und Schlitzen aufweist und die alternierend und nacheinander in einer Bewegungsrichtung des Objekts angeordnet sind, b) Erzeugen von Taktpulsen mit konstanten Intervallen zur Steuerung des Empfangsbetriebs des Erfassungssensors, c) Erfassen des Vorliegens oder Nichtvorliegens der durch die Schlitzeinrichtung strahlenden Meßwelle mittels Zählen der Taktpulse, d) Bestimmen eines beliebigen Schlitzes durch Erfassen der durch diesen Schlitz hindurchtretenden Meßwelle mittels des Erfassungssensors, und e) Erfassen einer Bewegungsgröße des bestimmten Schlitzes von einer festgelegten Bezugsposition, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: f) Anordnen der Strahlungsquelle, der Schlitze und des Erfassungssensors derart, daß die Meßwelle den Erfassungssensor durch zumindest einen der Vielzahl der Schlitze abtastet und ein Signal bezüglich des Vorliegens des Durchlaufens der ausgestrahlten Meßwelle und andernfalls ein Signal bezüglich der Abwesenheit der Meßwelle erzeugt, g) Erfassen einer Anzahl y von erzeugten Taktpulsen während einer Zeitdauer des erfaßten Nichtvorliegens der Meßwelle, wobei die Pulsanzahl die Entfernung des dem einen Schlitzbereich benachbarten abgeschirmten Bereichs entspricht, h) Erfassen einer Anzahl z von erzeugten Taktpulsen, während einer Zeitdauer des ermittelten Vorliegens der durch den einen wählbaren Schlitzbereich erfaßten Meßwelle, i) Bestimmen des einen wählbaren Schlitzbereichs aus den weiteren Schlitzbereichen mittels der erfaßten Pulsanzahl z, k) vorheriges Erfassen und Speichern einer Datenbeziehung von möglichen Entfernungswerten, die durch die Pulsanzahl y dargestellt sind, und entsprechender tatsächlicher Bewegungsgrößen der aus der Bezugsposition bewegten Schlitzeinrichtung für jeden Schlitzbereich, und l) Bestimmen der tatsächlichen Größe x der gegenwärtigen Bewegung der Schlitzeinrichtung auf der Basis einer Bewegungsgröße entsprechend der erfaßten Pulsanzahl y der Datenbeziehung des mittels der Pulsanzahl z bestimmten Schlitzbereichs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Einstrahlung einer Meßwelle die Einstrahlung von Licht einer entsprechenden Lichtquelle umfaßt und der Erfassungssensor die Erfassung mittels eines optischen Empfängers durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung einer Meßwelle die Einstrahlung einer magnetischen Kraft durch eine Magnetkraftwelle umfaßt und der Erfassungssensor die Erfassung mittels eines magnetischen Empfängers durchführt.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt des Kollimierens von von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen zu parallelen Strahlen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung einer Meßwelle die Einstrahlung von Licht einer strobvskopischen Lichtquelle umfaßt, die Licht mit einem vorbestimmten Intervall aussendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schritt des Erfassens einen untergeordneten Schritt zur Umformung des erfaßten Signals der an dem Erfassungssensor empfangenen Meßwelle in Form eines Digitalsignals durch Vergleichen des erfaßten Signals mit einem Bezugswert umfaßt.
Vorrichtung zur berührungsfreien Messung einer Bewegungsgröße eines beweglichen Objekts von einer Bezugsposition, mit a) einer Strahlungsquelle (16) zur Erzeugung einer Meßwelle, b) einer in vorbestimmten Richtungen beweglichen und der Bewegung des Objekts folgenden Schlitzeinrichtung (22) mit einer Vielzahl von in unterschiedlicher Form ausgeführten abgeschirmten Bereichen und Schlitzen (23), die alternierend und nacheinander in der Bewegungsrichtung des Objekts angeordnet sind, c) einem Erfassungssensor (26) mit einer Empfangsoberfläche, die breiter als die Gesamtbreite der Schlitze in einer Richtung der Bewegung derselben ist, zum Empfangen der Meßwelle mittels dieses Oberflächenbereichs durch die Schlitze zur Erzeugung eines Erfassungssignals, das das Vorliegen und Nichtvorliegen der auf der Oberfläche empfangenen Meßwelle darstellt, d) einer Positionserfassungseinrichtung (34, 48) zum Empfangen des Erfassungssignals des Erfassungssensors (26) und Messen einer ersten Entfernung von einem Endbereich der Empfangsoberfläche zu einer Grenze zwischen dem Vorliegen und Nichtvorliegen der empfangenen Meßwelle zur Erzeugung eines Meßsignals der gemessenen Entfernung, e) einer Einrichtung (28) zur Erzeugung von Taktpulsen mit konstanten Intervallen zur Durchführung der Messung, f) einer Schlitzbestimmungseinrichtung (34, 50) zum Empfangen des von dem Erfassungssensor erzeugen einem einen Schlitz der Schlitzeinrichtung durchlaufenden Teil der Meßwelle entsprechenden Erfassungssignals, und Erzeugen eines Schlitzbestimmungssignals zur Bestimmung des Schlitzes aus der Vielzahl der Schlitze, und g) einer Einrichtung zur Erfassung einer Bewegungsgröße der Schlitzeinrichtung von der Bezugsposition auf der Basis des Meßsignals der Positionserfassungseinrichtung und des Schlitzbestimmungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß h) die Strahlungsquelle (16), die Schlitze (23) und der Erfassungssensor (26) derart angeordnet sind, daß die Meßwelle den Erfassungssensor (26) durch zumindest einen der Vielzahl der Schlitze (23) abtastet und ein Signal bezüglich des Vorliegens des Durchlaufens der ausgestrahlten Meßwelle und andernfalls ein Signal bezüglich der Abwesenheit der Meßwelle erzeugt, i) eine erste Zähleinrichtung (36, 38, 48) vorgesehen ist zum Zählen und Erfassen einer Anzahl y von Taktpulsen, die zur Messung einer ersten Entfernung erzeugt wurden, k) eine zweite Zähleinrichtung (40, 42, 46, 50) vorgesehen ist zum Zählen und Erfassen einer Anzahl z von Taktpulsen, die generiert wurden zur Messung einer zweiten Entfernung von einer Grenze zu einer nachfolgenden Grenze des Vorliegens und Nichtvorliegens in Abhängigkeit von dem Erfassungssignal der Schlitzbestimmungseinrichtung zur Erzeugung des Schlitzbestimmungssignals, und l) eine Speichereinrichtung (52, 58, 60) vorgesehen ist, zur Bestimmung und Speicherung für jeden mit der jeweiligen Pulsanzahl z bestimmbaren Schlitze, einer Datenbeziehungstabelle von möglichen Werten der ersten – durch die jeweilige Pulsanzahl y dargestellten – Entfernung und entsprechenden Größen x der Bewegung der Schlitzeinrichtung, die zuvor tatsächlich von der Referenzposition gemessen wurden, wobei die Speichereinrichtung eine Adresseneinrichtung (52) zum Adressieren umfaßt zur Erfassung einer tatsächlichen Größe x der gegenwärtigen Bewegung der Schlitzeinrichtung mittels der erfaßten Pulsanzahlen y und z.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine lichtaussendende Lichtquelle (16) ist und der Erfassungssensor einen optischen Fühler (26) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Strahlungsquelle eine eine magnetische Kraft aussendende Magnetkraftquelle ist und der Erfassungssensor einen magnetischen Fühler umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Projektionslinse (18), die von der Lichtquelle (16) ausgesandte Lichtstrahlen zu parallelen Strahlen kollimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine stroboskopische Lichtquelle (161) umfaßt, die Licht in einem vorbestimmten Intervall aussendet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungssensor eine Signalformungseinrichtung umfaßt, die das Erfassungssignal an der Empfangsfläche durch Vergleichen des Erfassungssignals mit einem Bezugswert in ein Digitalsignal umformt.