WO1992021938A1 - Verfahren und sensor zum bestimmen von verschiebungen eines objektes - Google Patents

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WO1992021938A1
WO1992021938A1 PCT/DE1992/000461 DE9200461W WO9221938A1 WO 1992021938 A1 WO1992021938 A1 WO 1992021938A1 DE 9200461 W DE9200461 W DE 9200461W WO 9221938 A1 WO9221938 A1 WO 9221938A1
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markings
image
displacement
movable object
imaging device
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PCT/DE1992/000461
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Inventor
Timothy Andrew Large
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/486—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by photo-electric detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses

Definitions

  • the invention relates to a method and a sensor according to the type of independent claims 1 and 10. It is known to use a system based on optical coding for measuring the size and speed of linear and rotary displacements, as shown in FIG.
  • This system has a light source 1, a movable grating 2, a fixed reference grating 3 and an optical detector 4. If the movable grating 2 moves, the light falling on the detector 4 is modulated as a function of the speed of the movable grating.
  • the resolution of the speed measurement therefore depends in particular on the measurement or sampling time dt. A shorter measurement time leads to a deterioration in the speed resolution.
  • CNC numerically controlled machines
  • Another object of the present invention is to provide a displacement measuring method which allows a high speed resolution to be obtained using standard components.
  • a method which makes it possible to determine the position of a movable object in relation to a reference point with the aid of markings which are fixed in relation to the object. At least some of the markings generate a first image at the reference point at a first point in time t and a second image at a second point in time t + t. To determine the position shift between the first and the second point in time, the two images are compared with one another.
  • the arrangement has an imaging device for generating successive images of at least a part of the marking track when the object moves with respect to the imaging device, and an evaluation unit which compares the successive images from the imaging device with one another, to determine the relative displacement of the object with respect to the imaging device.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that a second fixed grid, such as a reference grid, is no longer required. All that is required is a single grid or comparable other suitable markings.
  • an arrangement for generating an image of a part of the marking pattern for example by using two or more detectors that detect a silhouette of the markings.
  • Such an arrangement has the effect of a matrix of detectors of a known type, so that, for example when using a grating, several grating lines can be distinguished.
  • the use of an imaging arrangement instead of a small number of light sensors therefore corresponds to an increase in the number of effective detectors and thereby permits a higher speed solution.
  • successive images of the markings are generated by means of a CCD arrangement.
  • the use of a CCD is particularly recommended because it is comparatively cheap and easily available.
  • Spare sheet The preferred embodiment is expediently used according to a novel method, particularly suitable for use in connection with CCD arrangements, for comparing successive images of the markings.
  • the method can in principle be used for any imaging arrangement which is capable of reading out the individual pixels of an image separately.
  • a position shift measuring system is not known, which determines the position shift or its speed on the basis of a comparison of successive images of markings.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a known arrangement for determining the speed and / or the position shift
  • FIG. 2 shows a schematic representation with the essential components of a displacement and / or speed measuring arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a position displacement sensor according to the invention for detecting a rotational speed or a relative angular displacement
  • FIG. 4 shows a further schematic embodiment of the measuring arrangement according to the invention for detecting the angular speed or the angular position
  • FIG. 5a shows a pattern of a marking in the form of a pseudo
  • FIG. 5 b shows an image of the pattern shown in FIG. 5 a
  • FIGS. 6 a, 6 b and 6 c show curves of several measurement influencing variables for explaining the displacement measurements possible with the present invention
  • FIGS. 7 a, 7 b, 7 c examples for markings as can be used in the present invention.
  • the displacement / speed sensor shown in FIG. 2 has a light source 5, a lens 6 and a grating 7 which is immovable with respect to the object, the displacement and / or speed of which is to be measured.
  • a reference grid is not used.
  • a CCD matrix charge-coupled device
  • the number of effective detectors can easily be one or a few, as is the case in conventional systems, such as that shown in FIG.
  • each individual photocell is additionally interpolated electronically. This is done, for example, by an A / d converter with 8 bits. In this case, the degree of interpolation results for a CCD matrix with 256 photocells and 4096 lines:
  • the speed resolution is 0.0022 rpm, but this is also even better than the values that can be achieved with conventional arrangements.
  • FIG. 3 shows a position displacement sensor according to the invention for measuring angular velocity and / or angular displacement.
  • a grid is mounted on a drum 16 which rotates with the object whose movement is to be measured.
  • a detector arrangement 12 and a light source 13 are arranged around a prism in such a way that they are optically coincident.
  • the light from the source 13 is projected onto the drum 16 via a lens 15.
  • the light is reflected by the grating arranged on the drum 16 and is collected again by the lens 15 and imaged on the detector arrangement 12.
  • FIG. 4 shows a further measuring arrangement according to the invention, for measuring the rotational speed and / or the rotational angle of a shaft 20, which can be part of a rotating drive system, for example.
  • a grating 22 is applied to a disk 21 which rotates with the shaft.
  • the part of the pane which carries the dashed grating is illuminated by a suitable light source, for example by an LED 23.
  • Light passing through the grating is collected by means of a lens 24 and onto a detector arrangement 25 in the form of a linear CCD matrix pictured.
  • the signals received by the detector arrangements 9, 12, 25 are evaluated to determine the displacement according to the same principle.
  • the output signals of the CCD matrix are read out via an analog / digital converter at a time t and compared with the stored values read out at an earlier time t-dt. If the measurement time interval dt is fixed, the comparison of the current values with the values stored at the previous measurement time t-dt directly provides information about the speed of the moving object.
  • the use of a known correlation algorithm is a possible method for determining the position shift from the current and the previously stored measured values.
  • the current value of the displacement results from the measure of the correlation between the respective measured values.
  • the disadvantage of the correlation method is, however, that it requires a large number of mathematical steps and is therefore relatively slow.
  • the comparison of the current with the stored measured values of the CCD matrix is therefore carried out using a novel comparison method, which will be explained in the following.
  • the output signals of the individual pixels of the CCD matrix 25 are sequentially fed to an analog-to-digital converter 26 clocked by a clock 27.
  • the latter transfers the signals to a memory 30 and a difference-forming element 32.
  • the signal of each pixel is subtracted - pixel by pixel - from the last stored signal of the same pixel, which was stored last.
  • the absolute amount of the difference thus determined for each pixel - the amount is formed so that positive and negative differences cannot be mutually determined - is then fed to an adder 32. This forms the sum of the difference signals of all pixels. At low speeds, this results in a number that is proportional to the shift in position between two successive images captured by the CCD matrix.
  • the resolution limit is reached when only a single bit in a single pixel changes within the measuring time dt.
  • the displacement of the object whose movement is to be detected can be calculated between a first image captured by the CCD matrix and a subsequent one within the time required to complete a complete image Read CCD array.
  • This method is therefore considerably faster than the known correlation method.
  • a new CCD image can be read out as soon as the reading process for the previous image has been completed, which means that changes in speed can also be detected very quickly.
  • the data stored in the memory 30 can be continuously updated.
  • the difference formation technique is only suitable for relatively slow angular movements or linear speeds.
  • the speed measurement range that can be achieved with this method depends in particular on the structure of the grating used. To make this clear, let us assume that the grid has a regular or incremental line pattern. If the object to be measured moves within the time between two successive readout processes by a complete whole period of the line spacing, the result at the output of the adder 32 is zero. In fact, the proportionality between the output of adder 32 and the speed disappears even before this point. For markings with a regular structure, therefore, only shifts that are smaller than half a period of the grating can be detected with sufficient accuracy using the difference formation technique.
  • the line grid does not necessarily have to have a regular or incremental structure, as is used, for example, in the arrangement shown in FIG.
  • the grid can equally well be provided with irregular markings, e.g. be provided in the form of a pseudo-random sequence or with any other markings suitable for the absolute determination of the position of the disk, which are read out serially from the CCD matrix at each measuring time.
  • FIG. 5a shows a pseudo-random sequence
  • FIG. 5b shows an associated output signal as it could be applied to a CCD matrix. Since the grating structure changes over the entire linear or angular extension area, the image of such a grating can in particular also be used to indicate an absolute position of the object to be measured at the time of the measurement.
  • FIG. 4 therefore also shows the devices necessary for determining the absolute position of the shaft 20 in the form of a flank detector 40 and a position evaluation device 41.
  • the pseudo-random code attached to the disk 21 is, by definition, random but repeatable.
  • the pseudo-random sequence attached to the disk 21 is again stored in the processor 41, which compares it with the output signal of the edge detector 40.
  • differential formation technology in the preferred embodiment of this invention is limited to relatively slow rotational speeds. This will be explained below.
  • Figure 6a shows a section of a pseudo-random sequence, as it could be marked on the encoder disc.
  • FIG. 6b shows the image of such a disk as it would be generated by the CCD matrix after mathematical defocussing.
  • the abscissa of the graph in FIG. 6b denotes the individual pixels of the CCD matrix.
  • the result of the difference formation method is the following sum:
  • the relationship is essentially proportional if j is less than 8 pixels .
  • This value represents half a line width on an encoder disk with an equivalent of 4096 regularly arranged lines per revolution.
  • the largest reasonably measurable speed is about 150 rpm, the dynamic range of the measurement is 30,000.
  • the lower speed limit is thus 0.005 rpm. This calculation assumes that a 256 pixel CCD matrix is used.
  • the image of the line grating has smears, in particular at the corners. Such smearing can nevertheless be very useful for comparing successive images, because in this way more meaningful data can be compared with one another, or in other words, fewer zero-valued pixels are created.
  • a section of a pseudo-random sequence can, for example, contain a sequence of successive "zeros" or "ones" that do not provide any useful information.
  • the result of the sum of the difference formation process is factored according to the number of edges detected by the detector. This reduces the influence of the different number of edges on the image.
  • a disadvantage of this method is that the speed resolution is reduced if a few edges are detected. A method that increases the number of edges detected is therefore preferable.
  • the encoder disc is coded "manchester". With this type of coding, each value 1 of a sequence which adopts the logical rule 0 to 1 in any order is replaced by a one-zero transition and each value zero is replaced by a zero-one transition. This does require an increase in line density by a factor 2; this guarantees that at least one edge per bit of the pseudo random sequence is detected. The speed resolution is therefore retained. Nevertheless, the number of edges within an image can still fluctuate by a factor of 2 in this case, which is why additional factorization with the number of edges, as suggested under 1, continues to make sense.
  • FIG. 7a shows a section of a pseudo-random sequence as it can be used to code a sequence of grid lines that vary between the two values -1 and +1.
  • the Manchester code is generated by multiplying the pseudo-random sequence by a sequence of the form 1, -1, 1, -1 ..., whose
  • FIG. 7b shows the result of such a multiplication.
  • the period X of FIG. 7b corresponds to the duration of a bit in the sequence of FIG. 7a, in other words the smallest line width that the pseudo-random sequence can deliver.
  • the increase in the number of edges by using a Manchester code is obvious.
  • the resulting pattern shown in Figure 7 is used to place a marking track on a grid, the resulting image of which is shown in Figure 7c.
  • the image is processed as described above, expediently with factorization, in order to take into account the varying number of edges per measuring section.
  • a positional displacement sensor according to the invention can also be used in connection with a flat, linear grating for detecting linear displacements or speeds.
  • a typical linear grid 50 with lines per millimeter is expediently used, which has a linear speed resolution of
  • a suitably coded track also allows absolute position information.
  • a position displacement sensor according to the invention can also include special means for measuring high speeds or large displacements in order to thereby enlarge the measuring range of the arrangement.

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Abstract

Die Verschiebung eines beweglichen Objektes von einem Zeitpunkt t zu einem Zeitpunkt t + Δt wird ermittelt durch Gebrauch eines Strichgitters, welches auf dem beweglichen Objekt angeordnet ist. Wenigstens ein Teil des Strichgitters wird zweimal zu Zeiten t und t + Δt abgebildet, die beiden Abbilder werden anschließend zur Ermittlung der Verschiebung und anschließend der Geschwindigkeit miteinander verglichen. Die Abbildungsvorrichtung (25) weist vorteilhaft eine CCD-Matrix auf. Die Geschwindigkeit wird zweckmäßig bestimmt aus der Summe der Differenzen von aufeinanderfolgenden Signalen für alle Pixel der Matrix.

Description

Verfahren und Sensor zum Bestimmen von Verschiebungen eines Qb-iektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 10. Es ist bekannt, zur Messung von Größe und Geschwindigkeit linearer und rotatorischer Verschiebungen ein auf der Grundlage optischer Codierungen arbeiten¬ des System einzusetzen, wie in Figur 1 gezeigt. Dieses System weist eine Lichtquelle 1, ein bewegliches Gitter 2, ein festes Referenz¬ gitter 3 sowie einen optischen Detector 4 auf. Bewegt sich das be¬ wegliche Gitter 2, wird das auf den Detector 4 fallende Licht in Ab¬ hängigkeit von der Geschwindigkeit des beweglichen Gitters moduliert.
Ein herkömmliches, in dieser Weise aufgebautes Drehgebersystem mit elektronischer Interpolation gestattet die Einteilung einer vollen Umdrehung einer sich drehenden Welle in 2 bits, wobei gilt: 2 = (Anzahl der Striche des Gitters) x (Anzahl der optischen Detecto- ren) x (Ordnung der elektronischen Interpolation).
Ein typischer optischer Geber mit 4.096 Gitterstrichen, entsprechend 12 bits, zwei Paaren differentieller Detectoren, und einer 6-bit (x
64) elektronischen Interpolation gestattet eine theoretische Lage-
20 auflosung von 2 bits pro Umdrehung.
Für die Erfassung der Drehgeschwindigkeit einer sich drehenden Welle mit einer solchen Anordnung, ist es erforderlich, daß sich in einem Meßzeitintervall dt wenigstens ein wesentliches Bit ändert. Die Auf¬ lösung V für die Drehgeschwindigkeit beträgt dann:
Ersatzblatt 60
2ndt U/s 2n dt U/min
Die Auflösung der Geschwindigkeitsmessung hängt also insbesondere ab von der Meß- bzw. Abtastzeit dt. Eine kürzere Meßzeit führt zu einer Verschlechterung der Geschwindigkeitsauflösung.
20 Für einen typischen Geber, mit einer Basisauflösung von 2 bits pro Umdrehung, ergibt sich somit bei einer Meßzeit von einer Milli¬ sekunde eine reale Auflösung V von
60
0.06 U/min
.n
Für viele Anwendungen im Bereich der numerisch gesteuerten Maschinen (CNC) ist eine solche mit herkömmlichen Gebern erzielbare Geschwin¬ digkeitsauflösung zu gering, bzw. die zur Erzielung einer guten Auf¬ lösung benötigte Meßzeit so groß, daß sie praktisch nicht mehr nutz¬ bar ist.
Ersatzblatt Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Verschie¬ bungssensor anzugeben, der durch Vergrößerung der effektiv wirksamen Zahl von Detectoren eine große Geschwindigkeitsauflösung liefert bei gleichzeitig kurzer Meßzeit.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ver¬ schiebungsmeßmethode anzugeben, die es gestattet, unter Verwendung von Standardbauelementen eine hohe Geschwindigkeitsauflösung zu er¬ halten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Vorgeschlagen wird zum einen ein Verfahren, das es gestattet, die Lage eines beweglichen Objektes in Bezug auf einen Referenzpunkt mit Hilfe von Markierungen zu bestimmen, welche in Bezug auf das Objekt fest sind. Zumindest einige der Markierungen erzeugen am Referenz¬ punkt zu einem ersten Zeitpunkt t ein erstes Abbild, und zu einem zweiten Zeitpunkt t + t ein zweites Abbild. Zur Bestimmung der La¬ geverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt werden beide Abbilder miteinander verglichen.
Desweiteren wird eine Ausführungsform einer Sensoranordnung vorge¬ schlagen, die eine Spur mit Markierungen aufweist, welche sich
Ersatzblatt mit dem Objekt, dessen Lage zu bestimmen ist, bewegt. Weiterhin weist die Anordnung eine Abbildungsvorrichtung auf zur Erzeugung aufeinanderfolgender Abbilder wenigstens eines Teiles der Markie¬ rungsspur, wenn sich das Objekt in Bezug auf die Abbildungsvorrich¬ tung bewegt, sowie eine Auswerteeinheit, welche die aufeinanderfol¬ genden Abbilder von der Abbildungsvorrichtung miteinander ver¬ gleicht, um die relative Lageverschiebung des Objektes in Bezug auf die Abbildungsvorrichtung zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß ein zweites festes Gitter, wie etwa ein Referenzgitter, nicht mehr benötigt wird. Erforderlich ist nur noch ein einzelnes Gitter bzw. vergleich¬ bare andere geeignete Markierungen.
Vorteilhaft ist ferner die Verwendung einer Anordnung zur Erzeugung eines Abbildes eines Teiles des Markierungsmusters, zum Beispiel durch Verwendung von zwei oder mehr Detectoren, die ein Schattenbild der Markierungen erfassen. Eine derartige Anordnung hat die Wirkung einer Matrix von Detectoren bekannter Art, so daß zum Beispiel bei Verwendung eines Strichgitters mehrere Gitterlinien unterschieden werden können. Die Verwendung einer Abbildungsanordnung anstelle einer kleinen Zahl von Lichtsensoren entspricht daher einer Erhöhung der Anzahl von wirksamen Detectoren und gestattet dadurch eine höhere Geschwindigkeits u lösung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Efindung werden mittels einer CCD-Anordnung aufeinanderfolgende Abbilder der Markierungen erzeugt. Die Verwendung eines CCD empfiehlt sich insbesondere des¬ halb, weil sie vergleichsweise billig und leicht verfügbar ist.
Ersatzblatt Zweckmäßig erfolgt die Verwendung der bevorzugten Ausführungsform nach einer neuartigen, insbesondere für eine Verwendung im Zusammen¬ hang mit CCD-Anordnungen geeigneten Methode zum Vergleich aufeinan¬ derfolgender Abbilder der Markierungen. Die Methode kann grund¬ sätzlich für jede Abbildungsanordnung angewendet werden, welche in der Lage ist, die einzelnen Pixels eines Abbildes getrennt auszu¬ lesen.
Die Verwendung einer CCD-Abbildungsanordnung zur Ermittlung einer Position ist grundsätzlich bekannt. Vorschläge für Lagesensoren mit CCDs finden sich beispielsweise in der EP-A 100 243 sowie der EP-A 184 286.
Nicht bekannt ist ein Lageverschiebungsmeßsystem, das die Lagever¬ schiebung bzw. deren Geschwindigkeit aufgrund eines Vergleiches auf¬ einanderfolgender .Abbilder von Markierungen ermittelt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Zeichnungen
Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer bekannten An¬ ordnung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Lagever¬ schiebung, Figur 2 eine schematische Darstellung mit den wesent¬ lichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Verschiebungs- und/oder Geschwindigkeitsmeßanordnung, Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lageverschiebungssensors zur Erfassung einer Drehgeschwindigkeit bzw. einer relativen Winkelverschiebung, Figur 4 eine weitere schematische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Me߬ anordnung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit bzw. der Winkel¬ lage, Figur 5a ein Muster einer Markierung in Form einer Pseudozu-
Erpatzblatt fallsfolge, Figur 5 b ein von der CCD-Matrix erzeugtes Abbild des in Figur 5a dargestellten Musters, Figuren 6a, 6b und 6c Kurven mehrer¬ er Meßeinflußgrößen zur Erläuterung der mit der vorliegenden Erfin¬ dung möglichen Verschiebungsmessungen, Figuren 7a, 7b, 7c Beispiele für Markierungen, wie sie in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
Beschreibung
Der in Figur 2 dargestellte Verschiebungs-/Geschwindigkeitssensor weist eine Lichtquelle 5, eine Linse 6 sowie ein Gitter 7, das be¬ züglich des Objektes, dessen Verschiebung und/oder Geschwindigkeit zu messen ist, unbeweglich ist, auf. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Anordnung wird ein Referenzgitter nicht eingesetzt.
Das von der Lichtquelle 5 kommende Licht bildet über die beiden Lin¬ sen 6 und 8 das Gitter auf eine Detectoranordnung 9 in Form einer Bilderfassungsvorrichtung ab, welche als Matrix einzelner Photodio¬ den, oder einfacher als CCD (charge-coupled-device)-Matrix ausge¬ führt ist. Bei Verwendung einer CCD-Matrix kann die Zahl der wirksa¬ men Detectoren in einfacher Weise von eins oder wenigen, wie sie in herkömmlichen Systemen, wie zum Beispiel dem in Figur 1 gezeigten,
10 verwendet werden, heraufgesetzt werden auf eine Zahl von 2 oder
2 u.s.w., entsprechend der Zahl der Photozellen auf einer typi¬ schen CCD-Matrix. Jede einzelne Photozelle wird zusätzlich elektro¬ nisch interpoliert. Dies geschieht zum Beispiel durch einen A/d-Wan- dler mit 8 Bit. Der Interpolationsgrad ergibt sich in diesem Fall für eine CCD-Matrix mit 256 Photozellen und 4096 Strichen zu:
Ersäfeblatf 2N = 4096 x 256 x 256
und damit N = 28
Die daraus resultierende Geschwindigkeitsauflösung beträgt:
60
-4 = 2.2 x 10 U/mm
.28 -3 x 1 x 10
Für eine kurze Meßzeit von z.B. 100 Microsekunden beträgt die Ge¬ schwindigkeitsauflösung 0,0022 U/min, was aber ebenfalls noch besser ist als die mit herkömmlichen Anordnungen ezielbaren Werte.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Lageverschiebungssensor zur Messung von Winkelgeschwindkeit und/oder Winkel-Verschiebung. In dieser Ausführung der Erfindung ist ein Gitter auf einer Trommel 16 montiert, die sich mit dem Gegenstand, dessen Bewegung zu messen ist, dreht. Ferner sind eine Detectoranordnung 12 und eine Licht¬ quelle 13 um ein Prisma herum so angeordnet, daß sie optisch koinzi- dent sind. Über eine Linse 15 wird das Licht der Quelle 13 auf die Trommel 16 projiziert. Von dem auf der Trommel 16 angeordneten Gitter wird das Licht reflektiert, duch die Linse 15 wiederum ge¬ sammelt und auf die Detektoranordnung 12 abgebildet. Vorteil einer solchen trommelmontierten Anordnung ist insbesondere deren geringe Empfindlichkeit gegenüber axialen Verschiebungen.
Ersatzblatt Figur 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Meßanordnung, zur Messung der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels einer Welle 20, die zum Beispiel Teil eines rotierenden Antriebssystems sein kann. Auf einer Scheibe 21, welche sich mit der Welle dreht, ist ein Strichgitter 22 aufgebracht. Der Teil der Scheibe, der das Strich¬ gitter trägt, ist von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet, zum Beispiel von einem LED 23. Durch das Gitter hindurchtretendes Licht wird mittels einer Linse 24 gesammelt und auf eine Detectoranordnung 25 in Form einer Linear-CCD-Matrix abgebildet.
Bei allen in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigten Anordnungen erfolgt die Auswertung der von den Detectoranordnungen 9, 12, 25 em¬ pfangenen Signale zur Bestimmung der Verschiebung nach demselben Prinzip. Die Ausgangssignale der CCD-Matrix werden über einen Ana- log/Digitalwandler zu einem Zeitpunkt t ausgelesen und verglichen mit den abgespeicherten, zu einem früheren Zeitpunkt t-dt ausgele¬ senen Werten. Bei fest vorgegebenem Meßzeitintervall dt liefert der Vergleich der aktuellen mit den zum vorigen Meßzeitpunkt t - dt ab¬ gespeicherten Werten unmittelbar eine Aussage über die Geschwindig¬ keit des bewegten Gegenstandes.
Als mögliches Verfahren zur Bestimmung der Lageverschiebung aus den aktuellen und den vorab gespeicherten Meßwerten bietet sich die Ver¬ wendung eines bekannten Korrelationsalgorithmus an. Aus dem Maß der Korrelation zwischen den jeweiligen Meßwerten ergibt sich der aktu¬ elle Wert der Verschiebung. Nachteil der Korreltationsmethode ist allerdings, daß sie eine große Zahl mathematischer Schritte erfor¬ dert und dadurch relativ langsam ist.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung er¬ folgt der Vergleich der aktuellen mit den abgespeicherten Meßwerten der CCD-Matrix deshalb nach einem neuartigen Vergleichsverfahren, welches im folgenden erläutert werden wird.
Ersatzblatt Der Aufbau einer zur Durchführung dieses Verfahrens benötigten An¬ ordnung ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Das Verfahren ist jedoch nicht auf eine Anwendung bei der in Figur 4 dargestellten An¬ ordnung beschränkt, sondern ebenso allgemein einsetzbar, z.B. bei den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Anordnungen.
Die AusgangsSignale der einzelnen Pixel der CCD-Matrix 25 werden se¬ quentiell einem von einer "clock" (Taktgeber) 27 getakteten Ana¬ log-Digital-Wandler 26 zugeführt. Dieser übergibt die Signale einem Speicher 30 sowie einem Differenzbildungsglied 32. In letztgenanntem wird - pixelweise - das Signal jedes Pixels subtrahiert von dem zu¬ letzt gespeicherten, vorhergehenden Signal desselben Pixels. Der Ab¬ solutbetrag der so für jedes Pixel ermittelten Differenz - die Be- tragsbildung erfolgt, damit positive und negative Differenzen sich nicht gegenseitig heraus itteln können - wird anschließend einem Addierer 32 zugeführt. Dieser bildet aus den Differenzsignalen aller Pixel die Summe. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ergibt sich auf diese Weise eine Zahl, die proportional zur Lageverschiebung zwischen zwei aufeinanderfolgenden, von der CCD-Matrix erfaßten Ab¬ bildern ist. Die Auflösungsgrenze wird erreicht, wenn nur ein ein¬ ziges Bit in einem einzigen Pixel sich innerhalb der Meßzeit dt ver¬ ändert.
Aus dem vorigen ergibt sich, daß die Verschiebung des Gegenstandes, dessen Bewegung erfaßt werden soll, zwischen einem ersten von der CCD-Matrix erfaßten Abbild und einem darauffolgenden innerhalb der Zeit berechnet werden kann, die benötigt wird, um ein komplettes Ab¬ bild aus dem CCD-array auszulesen. Dieses Verfahren ist damit we¬ sentlich schneller als das bekannte Korrelationsverfahren. Ein neues CCD-Abbild kann ausgelesen werden, sobald der Auslesevorgang für das vorhergehende Abbild abgeschlossen ist, wodurch auch Änderungen der Geschwindigkeit sehr schnell erfaßt werden können. Sowie ein CCD-Ab¬ bild ausgelesen ist, können die im Speicher 30 abgelegten Daten fortlaufend aktualisiert werden.
Ersatzblatt Wie bereits bemerkt, ist die Differenzbildungstechnik allerdings nur geeignet für relativ langsame Winkelbewegungen oder lineare Ge¬ schwindigkeiten. Der mit diesem Verfahren erzielbare Geschwindig- keitsmeßbereich hängt insbesondere von der Struktur des verwendeten Gitters ab. Um dies zu verdeutlichen sei angenommen, daß das Gitter ein regelmäßiges bzw. inkrementales Strichmuster aufweise. Falls das zu messende Objekt sich innerhalb der Zeit zwischen zwei aufeinan¬ derfolgenden AusleseVorgängen um eine vollständige ganze Periode des Strichabstandes bewegt, ist das Ergebnis am Ausgang des Addierers 32 Null. Tatsächlich verschwindet die Proportionalität zwischen dem Ausgang des Addierers 32 und der Geschwindigkeit sogar noch vor diesem Punkt. Für Markierungen mit regelmäßiger Struktur können des¬ halb nach der Differenzbildungstechnik nur Verschiebungen, die kleiner als eine halbe Periode des Gitters sind mit ausreichender Genauigkeit erfaßt werden.
Da erfindungsgemäß nicht nur eine sondern stets eine Zahl von Linien des Strichgitters auf die CCD-Matrix abgebildet werden, muß das Strichgitter nicht notwendigerweise ein regelmäßige oder inkrementa- le Struktur aufweisen, wie es etwa in der in Figur 1 dargestellten Anordnung verwendet wird. Ebensogut kann das Gitter mit unregel¬ mäßigen Markierungen, z.B. in Form einer Pseudozufallsfolge oder mit beliebigem anderen für die absolute Bestimmung der Position der Scheibe geeigneten Markierungen versehen sein, die seriell zu jeder Meßzeit von dem CCD-Matrix ausgelesen werden. Als Beispiel für eine nichtregelmäßige Gitterstruktur zeigt Figur 5a eine Pseudozufalls¬ folge, Figur 5b zeigt ein zugehöriges Ausgangssignal, wie es an einer CCD-Matrix anliegen könnte. Da sich die Gitterstuktur über den gesamten linearen bzw. angularen Erstreckungsbereich ändert, kann das Abbild eines derartigen Gitters insbesondere auch dazu verwendet werden, eine absolute Position des zu messendes Objektes zum Zeit¬ punkt der Messung anzugeben.
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Figur 4 zeigt deshalb auch die zur Bestimmung der absoluten Position der Welle 20 notwendigen Einrichtungen in Form eines Flankendetek¬ tors 40 und einer Positionsauswertevorrichtung 41. Der auf der Scheibe 21 angebrachte Pseudozufallscode ist definitionsgemäß zu¬ fällig aber wiederholbar. Um die absolute Winkellage der Welle 20 zu bestimmen, ist die auf der Scheibe 21 angebrachte Pseudozufallsfolge nochmals im Prozessor 41 abgespeichert, die dieser mit dem Ausgangs¬ signal des Flankendetektors 40 vergleicht.
Durch Einsatz eines Flankendetektors ist es sogar bei Verwendung eines regelmäßigen Strichgitters auf der Scheibe möglich, zu jeder Zeit die totale Winkelverschiebung, und damit die absolute Position einer Welle, beginnend von einer Startposition, zu bestimmen, wenn die absolute Position der Welle zum Startzeitpunkt bekannt ist.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Verwendung der Differenzbil¬ dungstechnik in der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung be¬ grenzt auf relativ langsame Drehgeschwindigkeiten. Dies soll nach¬ folgend noch erläutert werden.
Figur 6a zeigt einen Ausschnitt aus einer Pseudozufallsfolge, wie sie auf der Geberscheibe markiert sein könnte. Figur 6b zeigt das Abbild einer solchen Scheibe, wie es nach mathematischer Defocu- sierung von der CCD-Matrix erzeugt werden würde. Die Abszisse des Graphen in Figur 6b bezeichnet die einzelnen Pixel der CCD-Matrix. Für eine Verschiebung von j Pixeln innerhalb des Meßintervalls dt ergibt sich als Resultat der Differenzbildungsmethode die folgende Summe:
diff j
Figure imgf000013_0001
Ersatzblatt wobei m jeweils ein einzelnes Pixel bezeichnet.
Figur 6c zeigt die Darstellung einer Differenz j gegen die Zahl j der Verschiebung der Pixel, berechnet für m = 1 .... 235 sowie j = 1 ... 20. Die Beziehung ist im wesentlichen proportional, sofern j kleiner ist als 8 Pixel. Auf einer Geberscheibe mit einem Äquivalent von 4096 regelmäßig angeordneten Linien pro Umdrehung repräsentiert dieser Wert eine halbe Linienbreite. Die größte vernünftig meßbare Geschwindigkeit ist etwa 150 U/min, die dynamische Reichweite der Messung liegt bei 30.000. Somit beträgt die untere Geschwindigkeits¬ grenze 0,005 U/min. Diese Berechnung geht davon aus, daß ein 256 Pixel CCD Matrix verwendet wird.
Infolge von Abbildungsfehlern der optischen Anordnung weist das Ab¬ bild des Strichgitters insbesondere an den Ecken Verschmierungen auf. Solche Verschmierungen können dennoch durchaus sinnvoll sein für den Vergleich aufeinanderfolgender Abbilder, weil auf diese Weise mehr gehaltvolle Daten miteinander vergleichbar sind, oder mit anderen Worten, es entstehen weniger nullwertige Pixels.
Für die Auswertung ist ferner zu beachten, daß die Summe, die durch die Differenzbildungstechnik erhalten wird, auch abhängt von der An¬ zahl der detektierten Flanken. Ein Ausschnitt aus einer Pseudozu¬ fallsfolge kann zum Beispiel eine Folge von aufeinanderfolgenden "Nullen" oder "Einsen" enthalten, die keine sinnvolle Information abgeben.
Ersatzblatt Falls die Linienstruktur so gewählt ist, daß die Anzahl der Flanken in einem vollständigen Abbild auf der CCD-Matrix stark unterschied¬ liche Werte annehmen kann, hat dies einen nachteiligen Einfluß auf die Genauigkeit der Verschiebungsmessung. Zur Lösung dieses Problems bieten sich zwei Verfahren an:
1. Das Ergebnis der Summe des Differenzbildungsprozesses wird fakto- risiert entsprechend der Zahl der vom Detektor detektierten Flanken. Dies verringert den Einfluß der unterschiedlichen Anzahl von Flanken auf das Abbild. Ein Nachteil dieser Methode ist allerdings, daß die Geschwindigkeitsauflösung reduziert wird, wenn wenige Flanken erfaßt werden. Ein Verfahren, welches die Zahl der erfaßten Flanken erhöht, ist deshalb vorzuziehen.
2. Die Geberscheibe wird "manchester"codiert. Bei dieser Art der Co¬ dierung wird jeder Wert 1 einer in beliebiger Reihenfolge die lo¬ gischen Regel 0 bis 1 annehmende Folge ersetzt durch einen Eins-Null-Übergang und jeder Wert Null durch einen Null-Eins-Über¬ gang. Zwar bedingt dies eine Erhöhung der Liniendichte um einen Fak¬ tor 2; dafür ist garantiert, daß zumindest eine Flanke pro Bit der Pseudozufallsfolge detektiert wird. Die Geschwindigkeitsauflösung bleibt somit erhalten. Dennoch kann auch in diesem Fall die Zahl der Flanken innerhalb eines Abbildes noch um den Faktor 2 schwanken, weshalb eine zusätzliche Faktorisierung mit der Zahl der Flanken, wie unter 1 vorgeschlagen, weiterhin sinnvoll ist.
Ein Beispiel für eine manchestercodierte Pseudozufallsfolge ist in Figur 7 dargestellt. Abbildung 7a zeigt einen Ausschnitt einer Pseu¬ dozufallsfolge, wie er zur Codierung einer Folge von Gitterlinien, die zwischen den beiden Werten -1 und +1 variieren verwendet werden kann. Der Manchestercode wird erzeugt, indem die Pseudozufallsfolge multipliziert wird mit einer Folge der Form 1, -1, 1, -1 ..., deren
Ersatzblatt Frequenz so gewählt ist, daß auf jedes Bit der Pseudozufallsfolge ein Paar 1, -1 fällt. Figur 7b zeigt das Ergebnis einer solchen Mul¬ tiplikation. Die Periodendauer X der Figur 7b entspricht der Dauer eines Bits in der Folge der Figur 7a, mit anderen Worten der kleinsten Linienbreite, welche die Pseudozufallsfolge liefern kann. Die Erhöhung der Zahl der Flanken durch Verwendung eines Manchester¬ codes ist offensichtlich.
Das in Figur 7 dargestellte resultierende Muster wird verwendet, um eine Markierungsspur auf einem Gitter anzubringen, deren sich dann ergebendes Abbild in Figur 7c gezeigt ist. Das Abbild wird wie vor¬ her beschrieben bearbeitet, zweckmäßig mit Faktorisierung, um der variierenden Anzahl von Flanken pro Meßabschnitt Rechnung zu tragen.
Die vorhergehenden Beispiele wurden beschrieben zur Verwendung mit einer Drehgeberscheibe. Es ist jedoch klar, daß ein erfindungsge¬ mäßer Lageverschiebungssensor ebenso in Zusammenhang mit einem flachen, linearen Gitter zur Erfassung linearer Verschiebungen oder Geschwindigkeiten verwendet werden kann. Für diesem Fall wird zweck¬ mäßig ein typisches lineares Gitter 50 mit Linien pro Millimeter einge- setzt, welches eine lineare Geschwindigkeitsauflösung von
—"7 —fi
10 m/s bei einem Meßintervall von 1 m/s liefert, oder 10 m/s bei einem Meßzeitintervall von 100 Microsekunden. Wiederum gestattet eine ge- eignet codierte Spur auch eine absolute Lageangabe.
Ein erfindungsgemäßer Lageverschiebungssensor kann darüberhinaus auch besondere Mittel zur Messung hoher Geschwindigkeiten oder großer Verschiebungen einschließen, um dadurch den Meßbereich der Anordnung zu vergrößern.
Ersatzblatt Die vorgeschlagene Anordnung bietet eine sehr hohe Positionsauf¬ lösung, welche es erlaubt, geringe Dreh- und lineare Geschwindig¬ keiten in einer kurzen Zeit zu messen. Durch Verwendung einer geeig¬ net codierten Spur ist auch die Bestimmung absoluter Winkellagen oder linearer Positionen möglich.
Ersatzblatt

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Verschiebung eines beweglichen Ob¬ jektes in Bezug auf eine Referenzmarke, wobei dem beweglichen Objekt Markierungen zugeordnet sind, welche in Bezug auf das bewegliche Ob¬ jekt fest sind, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem ersten Zeit¬ punkt t, an welchem die Markierungen die Referenzmarke passieren ein Abbild von wenigstens einem Teil der Markierungen erzeugt wird, und zu einem zweiten Zeitpunkt t + .Δt von demselben Teil der Markie¬ rungen ein zweites Abbild erzeugt wird und das erste und zweite Ab¬ bild miteinander verglichen werden um die Verschiebung des beweg¬ lichen Objektes zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeit¬ punkt zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die In¬ formation über die Verschiebung und das Zeitintervall^ t verwendet werden, um die Geschwindigkeit des beweglichen Objektes zu bestimmen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Abbild mit Hilfe einer aus einer Matrix von mehre¬ ren Pixels bestehenden Abbildungs orrichtung (12 bis 15, 23 bis 25) gewonnen werden, wobei jedes einzelne Pixel ein Bildsignal abgibt.
Ersa zbϊatt
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Abbild auf Korrelation geprüft werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Ver¬ fahrensschritte:
- pixelweises Berechnen der Absolut-Beträge der Differenz von jeweils zwei von einem Pixel jeweils zu einem ersten und einem zweiten Abbild abgegebenen Signalen,
- Addieren der für jedes Pixel der Matrix erhaltenen Differenz-Beträge
- Ermitteln der Verschiebung aus dem Ergebnis der Addition.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Moduli weiterhin multipliziert wird mit einem Faktor, welcher abhängt von der Zahl der Flanken der Markierungen innerhalb eines Abbildes.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß ein Abbild der Markierungen in regelmäßigen Inter¬ vallen erzeugt wird und jeweils zwei aufeinanderfolgende Abbildungen miteinander verglichen werden, um die Geschwindigkeit des beweg¬ lichen Objektes fortlaufend zu bestimmen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Markierungen ein Codemuster bilden, das es ge¬ stattet, die absolute Position des beweglichen Objektes aus einem Abbild der Markierungen zu bestimmen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster manchestercodiert ist.
€rsatzblatt
10. Verschiebungsmeßanordnung mit einer Spur in Form von Markie¬ rungen (7, 16, 21) welche sich mit dem beweglichen Objekt, dessen Verschiebung gemessen werden soll, bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildungsvorrichtung (5, 6, 8; 13, 14, 15; 23, 24) mit einer Detectoranordnung (9, 12, 25) vorgesehen ist, zur Erzeugung aufeinanderfolgender Abbilder von wengigstens einem Teil der Mar¬ kierungen, wenn das Objekt sich bewegt in Bezug auf die Abbildungs¬ vorrichtung, und mit einer Auswerteeinheit, welche aufeinanderfol¬ gende, von der Detectoranordnung (9, 12, 25) erzeugte Abbilder ver¬ gleicht und aus dem Ergebnis des Vergleichs die Verschiebung des be¬ weglichen Objektes in Bezug auf die Abbildungsvorrichtung ermittelt.
11. Verschiebungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Objekt eine drehende Welle (20) ist und die Mar¬ kierungen am Rand einer Scheibe oder einer Trommel angebracht sind, welche sich mit der Welle dreht.
12. Verschiebungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen zur Erfassung linearer Bewegungen eine lineare Spur bilden, die bezüglich des zu messenden Objektes fest angebracht ist.
13. Verschiebungssensor nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Abbildungs orrichtung eine Matrix von Photo¬ dioden aufweist.
14. Verschiebungssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsvorrichtung ein CCD aufweist.
15. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Lichtquelle (5, 13, 23) aufweist, deren Licht durch die Markierungsspur teilweise selektiv reflektiert und teilweise auf die Detectoranordnung (9, 12, 25) transmittiert wird.
Ersatzblatt
16. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen in einem regel¬ mäßigen Muster angeordnet sind.
17. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen als codiertes Muster aufgebracht sind.
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