DE8608262U1 - Wegmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wegmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des anspruches 1.

Wegmeßeinrichtungen dieser Gattung dienen zur Messung linearer Verschiebungswege und insb. als Winkelmeßeinrichtungen zur Messung von Drehbewegungen. Bei einer aus der DE-OS 23 12 729 bekannten Winkelmeßeinrichtung ist mit der Welle, deren Drehbewegung zu messen ist, eine koaxiale geschlitzte zylindrische Trommel vorgesehen. Das Licht einer innerhalb dieser Trommel angeordneten Lichtquelle tritt durch die Schlitze hindurch und trifft auf eine als Empfänger dienende Fotozelle. Dreht sich die Trommel zusammen mit der zu messenden Welle, so lassen die Schlitze aufeinanderfolgend das Licht auf die Fotozelle durchtreten, während die Bereiche zwischen den Schlitzen die Fotozelle abdecken. Die sich ändernde Belichtung erzeugt in der Foto-

Postgiroamt: Karlsruhe.i6fe_#7^-fet iBenjikoyto: bejAspfje Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

it «it t ««♦ *· *

• I Il 1 « · · Il

zelle ein etwa sinusförmiges Ausgangssignal. Die einzelnen Impulse dieses Ausgangssignales v/erden gezählt, um inkremental den Drehwinkel zu bestimmen. Die Winkelauflösung dieser bekannten Winkelmeßeinrichtung ist durch die Tei-* lung der Schlitze bestimmt.

Um die Auflösung einer Wegmeßeinrichtung, wie sie z.B. aus der DE-OS 23 12 729 bekannt ist, weiter zu verbessern, ist es bekannt, eine Spannungsdiskriminierung des Ausgangssignales des Empfängers durchzuführen. Entsprechend dem Spannungsanstieg bzw. -abfall des Ausgangssignales beim iibergang von den Schlitzen zu den abdeckenden Bereichen der Trommel können die Winkelschritte zwischen den Schlitzen nochmals unterteilt werden. Die Spannungsdiskriminierung erfordert einen Analog-Digital-Wandler und bringt Probleme mit der Stabilität der Diskriminatorschwellen mit sich.

Die internationale Patentanmeldung WO 85/02468 beschreibt eine Meßeinrichtung für die Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl einer rotierenden Welle. Ein Wegaufnehmerelement in Form einer rotierenden Scheibe mit aufeinanderfolgenden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Winkelbereichen dreht sich mit der zu messenden Welle. Die Scheibe wird von einem Sender durchstrahlt, der aus mehreren in Drehrichtung gegeneinander versetzt angeordneten Strahlungsquellen besteht, die gegeneinander phasenverschoben mit einer konstanten Grundfrequenz eingeschaltet werden. Das die Scheibe durchdringende Licht wird von einem Empfänger aufgenommen. Die Meßeinrichtung dient zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, wobei durch

Il ti I

ill I

III) I

it ( > I

die Frequenz, mit welcher die einzelnen Strahlungsqüellen aufeinanderfolgend eingeschaltet werden, eine Anpassung des Drehzahlmeßbereichs innerhalb weiter Drehzahlgrenzen möglich ist. Diese bekannte Einrichtung dient nicht als Wegmeßeinrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auflösung einer Wegmeßeinrichtung über die Teilung ihres Wegaufnehmerelementes hinaus mit geringem Aufwand und großer Genauigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Wegmeßeinrichtung der ein-^ gangs genannten Gattung erfindurigsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des phspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unterartsprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung wird das Wega Ulf nehmer element von einem Sender durchstrahlt, der mehrere Strahlungsquellen aufweist, die in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind und aufeinanderfolgend phasenverschoben mit einer konstanten Grundfrequenz ein- und ausgeschaltet werden. Ein Empfänger nimmt die durch das Wegaufnehmereiement hindurchtretende Strahlung sämtlicher Strahlungsquellen auf und summiert diese zu einem Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal verschiebt sich in der Phase gegenüber der Grundfrequenz/ wenn sich das Wegaufnehmerelement verschiebt. Bei einem Verschiebungsweg des Wegaufnehmerelementes um eine Teilung verschiebt sich

I I I I I I » · · I I

11 1*1 I ■·■ It

i Il I I I I III

J 1 . I 1 > 11 Il > · '

das Ausgangssignal um eine volle Periode gegenüber der Grundfrequenz. Der Verschiebungsweg des Wegaufnehmerelementes kann also innerhalb der durch die Teilung des Weg^ aufnehmerelementes vorgegebenen Auflösung nochmals durch die Messung der Phasenverschiebung des Ausgangssignales gegenüber der Grundfrequenz feinaufgelöst werden. Zur Messung der Phasenverschiebung ist nur die Zeitverschiebung des Nulldurchganges zu bestimmen, die mit geringem Aufwand in digitaler Form erhalten werden kann. Die Bestimmung des Nulldurchganges ist zudem von Temperatur- und. sonstigen Einflüssen weitgehend unabhängig, so daß die Feinauflösung mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Die Wegmeßeinrichtung kann zur Bestimmung eines linearen Verschiebungsweges dienen, eignet sich besonders aber auch für Winkelmeßeinrichtungen. Die Wegmeßeinrichtungen können inkrementale Meßeinrichtungen sein, bei welchen durch die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen Ausgangssignal und Grundfrequenz der Weg zwischen den gezählten Meßschritten, die durch die Teilung des Wegaufnehmerelementes vorgegeben sind, nochmals feinunterteilt wird. Ebenso kann bei einer absoluten Wegmeßeinrichtung eine Feinunterteilung der durch die aufeinanderfolgenden codierten Meßwerte des Wegaufnehmerelementes vorgegebenen Meßschritte durch die Bestimmung der Phasenverschiebung erfolgen.

Die erfindungsgemäße zusätzliche Feinauflösung hat insb. wesentliche Kostenvorteile. Die Feinauflösung durch elektronische Bestimmung der Phasenverschiebung des Ausgangs-

If ■

«lit ■

signales kann mit einem verhältnismäßig geringen elektronischen Aufwand erreicht werden. Die Kosten für die Herstellung des Wegaufnehmerelementes steigen dagegen mit zunehmender Auflösung der Teilung stark an. Die erfindungsgemäße Wegmeßeinrichtung kann somit einerseits bei vorgegebener , Teilung des Wegaufnehmereleraentes die Auflösung verbessern | und andererseits mit geringerem Kostenaufwand eine gefor- | derte Auflösung erreichen. c

I Il Il ■· Il Il »I Il I I I I I I I Il I III I III III! I I <· Il Il nil Il Uli

Die einzelnen Strahlungsquellen des Senders können unmit- I telbar nebeneinander angeordnet werden, so daß - der-Enrpf-ä-nger aus einem einzigen strahlungsempfindlichen Element bestehen kann, welches die Strahlung sämtlicher Strahlungsquellen empfängt. In diesem Fall summiert der Empfänger die von den veschiedenen Strahlungsquellen empfangene Strahlung zwangsläufig zu einem gemeinsamen Ausgangssignal. Bei dieser Ausführungsform kann die gegenseitige Abschirmung der einzelnen Strahlungsquellen Schwierigkeiten machen. Dementsprechend wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei welcher die einzelnen Strahlungsque.llen mit größerem Abstand gegeneinander versetzt sind. Bei einer Winkelmeßeinrichtung sind beispielsweise vier jeweils um 90* räumlich gegeneinander versetzte Strahlungsquellen vorgesehen. Bei größerem gegenseitigem Abstand der Strahlungsquellen besteht der Emfpänger zweckmäßigerweise aus einzelnen Empfängerelementen, die jeweils den Strahlungsquellen zugeordnet sind. Die Signale der einzelnen Empfängerelemente werden in diesem Fall zu einem Empfänger-Ausgangssignal ;^:

·■ &igr;&igr;&igr;&bgr; Ii it

Il 1 I I I

I I I I I I I I

l « I . I It 1

&mdash; 6 &mdash;

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird sichtbares oder infrarotes Licht verwendet. Die Strahlungsquellen sind vorzugsweise lichtemittierende Dioden und der Empfänger besteht aus einer oder mehreren Fotodioden. Diese Ausführungsform ist kostengünstig, platzsparend und ermöglicht eine hohe Präzision.

In einer anderen Ausführungsform wird ein Magnetfeld verwendet, in dem die Strahlungsquellen durch den periodischen Strom erregte Spulen sind und als Empfänger Feldplatten oder Induktionsspulen verwendet werden. Das VTegaufTretnnerelement weist hierbei magnetisch abschirmende Eereiche und magnetisch durchlässige Bereiche auf und besteht beispielsweise aus einer mit Schlitzen versehenen Stahlscheibe oder einem Stahlband. Bei einer solchen magnetischen Ausführung läßt sich nicht die hohe Auflösung einer optischen Ausführung erreichen. Der Vorteil einer solchen Ausführung liegt bei dem großen Temperaturbereich, in welchem eine solche Sender-Empfänger-Anordnung betrieben werden kann. Dieser Temperaturbereich reicht von etwa -55" C bis +130° C, sofern der Generator für die die Strahlungsquellen speisenden Ströme und die Schaltung für die Auswertung der Signale von der eigentlichen Meßeinrichtung entfernt angeordnet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei die einzige Figur die Wegmeßeinrichtung schematisch zeigt.

k A Il Il Il Il ti

&bull; Il I It Il It

* t Ml I I Il »tlt

&bull; * » I I I I I JII

&bull; * · # · I I I I I I Ii Il Il #1 I I M ti

In dem Ausführungsbeispiel ist die Wegmeßeinrichtung eine Winkelmeßeinrichtung. Eine Scheibe 10 dreht sich als Wegauf nehmereleinent mit der Welle, deren winkelstellung zu messen ist. Die Scheibe 10 weist eine kreisringförmige Spur mit in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden lichtdurchlässigen Bereichen 12 und lichtundurchlässigen Bereichen 14 auf. Die Spur kann die Teilungsspur eines inkrementalen Winkelgebers oder eine zusätzliche Spur auf der Codescheibe eines absoluten Winkelgebers sein.

Auf einer Seite der Scheibe 10 sind auf dem Radius der Spur und im gegenseitigen Winkelabstand von 90" vier lichtemittierende Dioden 16a, 16b, 16c und 16d angeordnet» Die Dioden emittierer vorzugsweise im Infrarotbereich. Den lichtemittierenden Dioden 16a, 16b, 16c und 16d gegenüber auf der anderen Seite der Scheibe 10 sind jeweils Fotodioden 18a, 18b, 18c und 18d angeordnet.

Die lichtemittierenden Dioden 16a, 16b, 16c und 16d v/erden von einem Stromgenerator 20 mit periodischen Strömen i , i. ,

i und i, der konstanten Grundfrequenz i). gespeist. Die cd 0

Ströme i , i. , i und i sind jeweils um 90" gegeneinander in der Phase verschoben, so daß sie sich bei einer Amplitude I in folgender Form darstellen lassen:

i = I (1 + cos (p _Qt) ; i_b - I (1 + sino

i = I (1 - cosO _Qt) ; i_d = I (1 - sincü _Qt)

I ti I t »

Il I I I * I I

I i I Il If

I Il Il Il

il

l t · 1 I I·» Il I

It I I I 1 I I I I

Die lichtemittierenden Dioden 16a, 16b_r 16c und 16d strahlen eine Lichtstärke E _n/ E,_n, E_n, E,_n ab, die der je-

au du cu du

weil igen Stromstärke i , i. , i bzw. i proportional

a D c ei

ist. Die Schaltungen der lichtemittierenden Dioden werden so abgestimmt, daß die lichtemittierenden Dioden bei gleicher Speisestromstärke gleiche Lichtstärke emittieren.

Das von den lichtemittierenden Dioden 16a, 16b, 16c, 16d emittierte Licht tritt durch die lichtdurchlässigen Bereiche 12 der Scheibe 10 und trifft auf die jeweiligen Fotodioden 18a, 18b, 18c und 18d und erzeugt in d-ie-se-n&mdash;e-ine-der jeweiligen Lichtstärke E , E , E bzw. E propor-

el O C Cl

tionale elektrische Spannung. Die Spannungen sämtlicher Fotodioden 18a, 18b, 18c und 18d werden zu einem Spannungs-Ausgangssignal s summiert. Werden alle Proportionalitätsfaktoren zu K zusammengefaßt, so ergibt sich somit fü£ das Spannungs-Ausgangssignal s:

s = K (E + E, + E +E,) (2)

a u c d

Wird die Scheibe 10 um einen Winkel &psgr; gedreht, so werden die auf die Fotodioden 18a, 18b, 18c und 18d auftreffenden

Lichtstärken E , E. , E und E, durch die lichtdurcha b c &agr;

lässigen und lichtundurchiässigen Bereiche (12, 14) sinusförmig moduliert. Es ergibt sich somit, für die auf die Fotodioden auftreffenden Lichtstärken:

I* till «I «I*·

Il i < It ItII Il Il

ill «I I I I I

ItII 4 I I ll'tl

ir lit t &igr; · &igr; &igr;· &igr;

t rl C « ■ I I I < ■

t &igr; . , t 1 ti · 1 Il

^Ea * ^Ea0 ^{(1 + COS<}P^] '· ^Eb ^{= E}b0 ⁽¹ ■ ^ _m

E_c - E_c0 (1 - cos<p) ; E_d = E_d0 (1 + sin?) ^

Durch Zusammenfassung der Gleichungen (1), (2) und (3) ergibt sich für das Spännungs-Aüsgangssignal s:

s = KI C(I + coscü»₀t)(l + cos &phgr;) + (1 + sinco _Qt) (1 - sin<p ) + (1 - coso₀t)(l - cos<p) + (1 - sin»

Und daraus durch Umformung

s = 4 KI + 2 KI cos (CJ _Qt +&phgr;) (5)

Wie Gleichung (5) zeigt, weist das Ausgangssignal der dioden 18a, 18b, 18c und 18d einen sinusförmigen Verlauf mit der Grundfrequenz Gd auf. Gegenüber der Speisespannung des Generators 20 ist das Ausgangssignal s jedoch in der Phase um den Winkel &psgr; verschoben. Die Phasenverschiebung &phgr; durchläuft 360°, wenn sich die Scheibe 10 um eine Teilung, d.h. den Winkel eines lichtdurchlässigen und eines lichtundurchlässigen Bereichs, dreht. Durch Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der Speisespannung des Generators 20 und des Ausgangssignales s der Fotodioden 18a, 18b, 18c und 18d kann also eine Feinauflösung der durch die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereiche (12 bzw. 14) vorgegebenen Teilung erreicht werden. Die Phasenverschiebung ist in einfacher Weise elektronisch durch Diskriminierung der Nulldurchgänge der beiden sinusförmigen Signale in digitaler Form zu erhalten.

Claims (8)

SCHUTZANSPRUCHS

1. Wegmeßeinrichtung mit einem Sender für eine elektromagnetische. Strahlung, mit einem dem Sender gegenüber angeordneten Empfänger für die elektromagnetische Strahlung und mit einem zwischen dem Sender und dem ianpfanger bewegbaren Wegaufnehmereleraent, dessen Verschiebungsweg zu messen ist und das eine Teilung von für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen und undurchlässigen Bereichen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender mehrere in Bewegungsrichtung des Wegaufnehmerelementes (Scheibe 10) phasenverschoben gegeneinander versetzt angeordnete Strahlungsquellen (16a, 16b, 16c, 16d) aufweist und daß der Empfänger aus einem oder mehreren einzelnen Empfängerelementen (Fotodioden 18a, 18b, 18c, 18d) besteht.

ftf 11*11·· · I

: Karlsruhe 76979-^4*; E|änkkpnlp:<0euls,ct1e £äi}k ^G* Villingen (BLZ 69470039) 146332

2. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen lichtemittierende Dioden (16a, 16b, 16c, 16d) sind. ,,

3. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger aus einer oder mehreren Fotodioden (18a, 18b, 18c, 18d) besteht. ^

4. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen Spulen sind. ,·

5. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger aus einer oder mehreren Feldplatten oder Induktionsspulen oder Hallfeldgeneratoren besteht, r-

f··. Wegmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegaufnehmerelement die Scheibe (10) eines inkrementalen oder absoluten Winkelgebers ist.^

7. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier im Winkel um jeweils 90° gegeneinander versetzte Strahlungsquellen vorgesehen sind.

8. Wegmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegaufnehmerelement der Glasmeßstab eines inkrementalen oder absoluten optischen Längenmeßsystems ist.

Il It

I I I

I I I

II Il