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Verfahren und Vorrichtung zur optisch-elektronischen, berührungslosen
Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes, insbesondere zur
Untersuchung seines Schwingungsverhaltens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optisch-elektronischen, berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines beleuchteten, mit einem Bezugspunkt versehenen Gegenstandes, insbesondere zur Untersuchung des Schwingungsverhaltens eines solchen Gegenstandes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es sind bereits optisch-elektronische Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Beobachtung des Bewegungsablaufs von insbesondere in Schwingungen versetzten Gegenständen bekannt, bei denen der sich tatsächlich oder scheinbar bewegende Gegenstand auf eine geeignete Röhre abgebildet wird, mit deren Hilfe das optische Bild des projizierten Gegenstandes in ein Elektronenbild und damit in elektrische Signale umgewandelt werden kann, die sich entsprechend dem Bewegungsverlauf des Gegenstandes ändern und damit eine Wiedergabe dieses Bewegungsverlaufs ermöglichen. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art besitzen den grossen Vorteil, dass der Bewegung des Gegenstandes kein mechanischer Widerstand wie etwa bei mechanisch gekoppelten Schwingungsprüfern od. dgl. entgegengesetzt wird und daher auch keine Verfälschung der zu untersuchenden Bewegung erfolgt.
Dadurch ist grundsätzlich die Voraussetzung dafür geschaffen, dass auch sowohl besonders schnellen Bewegungsabläufen als auch Bewegungsabläufen mit sehr kleinen Ausschlägen genau gefolgt werden kann. Desgleichen lässt sich damit bequem eine Überwachung sehr langsamer Bewegungen durchführen, wobei dann in Verbindung mit geeigneten optischen Vergrösserungssystemen od. dgl. eine entsprechende Anpassung vorgenommen werden kann. Hinzu kommt, dass bei optischer Erfassung das entsprechende Gerät auch in grösserer Entfernung von dem sich bewegenden Gegenstand aufgestellt werden kann, was beispielsweise dann von besonderer Bedeutung sein kann, wenn der Gegenstand, dessen Bewegung untersucht werden soll, sich im Inneren eines Ofens, einer aus andern Gründen schlecht oder gar nicht zugänglichen Kammer oder aber hinter einem Beobachtungsfenster befindet.
Die bisher bekanntgewordenen Verfahren und Vorrichtungen zur optischen, berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes wiesen beim praktischen Einsatz jedoch eine Reihe erheblicher Nachteile auf, die befriedigendes Arbeiten auf optischer Basis nicht mit der notwendigen Zuverlässigkeit zuliessen.
Ein wesentlicher Nachteil bekannter Verfahren bzw. Vorrichtungen zur optischen Bewegungserfassung liegt darin, dass es dabei in der Regel erforderlich war, den Bewegungsverlauf einer bestimmten Kante des zu untersuchenden Gegenstandes zu verfolgen. Auf Grund dieser Tatsache neigen die bekannten Verfahren zu einem unstabilen Verhalten, so dass es schon bei geringfügigen Abweichungen der Untersuchungsbedingungen vom Normalzustand zu einem Aussertrittfallen oder Weglaufen kommen konnte und eine entsprechende Synchronisierung mit dem Bewegungsablauf des zu untersuchenden Gegenstandes erst wieder durch eine von Hand vorzunehmende erneute Ausrichtung des Untersuchungsgerätes im Verhältnis zu dem bewegten Gegenstand herbeigeführt werden konnte.
Derartige"kantenfolgende"Verfahren bzw. Vorrichtungen sind überdies auch gegenüber geringfügigen Intensitätsschwankungen in der Beleuchtung des zu untersuchenden Gegenstandes sehr empfindlich, so
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dass auch schon infolge -einer stärkeren Änderung der Beleuchtungsintensität ein Aussertrittfallen auftreten konnte. Ferner ist es mit kantenfolgenden Verfahren auch nicht möglich, zu Beginn einer Messung eine selbsttätige Synchronisierung zu erzielen, wenn der Gegenstand sich zwar innerhalb des Beobachtungsbereiches des Untersuchungsgerätes befindet, im Verhältnis dazu jedoch nicht zentriert wurde. Vielmehr ist in solchen Fällen zunächst eine sehr genaue Voreinstellung erforderlich, ehe wirksam mit einer Untersuchung begonnen werden kann.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1135182 ist ein Verfahren zum berührungsfreien Ermitteln der Abmasse von Gegenständen von einem Sollmass bekannt, bei dem mittels einer Abbildungseinrichtung zunächst auf der Oberfläche eines Eichmasses eine leuchtende Marke und in einer auf diese Marke eingestellten Messeinrichtung ein Bild dieser Marke (Eichbild) erzeugt wird, danach das Eichmass durch den zu messenden Gegenstand ersetzt wird und die Abbildungs-und/oder Messeinrichtung oder Teile dieser Einrichtungen mittels einer von der Messeinrichtung photoelektrisch gesteuerten Nachlaufeinrichtung automatisch so lange verschoben werden, bis das Bild der Marke am Ort des Eichbildes erscheint, und bei dem dann aus der Grösse der Verschiebung das gesuchte Mass ermittelt wird.
Die Abweichung des Gegenstandsmasses vom Eichmass kann durch Reflexion eines auf das Eichmass eingestellten Lichtstrahles an der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes zu einer Photozelle hin erfolgen, die bei Abweichung des Gegenstandsmasses vom Eichmass ein elektrisches Signal liefert, das über einen Nachlaufmotor die Abbildungs-und/oder Messeinrichtung so lange verschiebt, bis ein Nullabgleich eingetreten ist. Bei diesem bekannten Verfahren bzw. dieser bekannten Vorrichtung handelt es sich jedoch nicht um die Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes, sondern lediglich um die Erfassung der Differenz bestimmter Istmasse von einem gewünschten Sollmass.
Bewegungsabläufe, beispielsweise Schwingungen von Gegenständen, lassen sich mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung nach der deutschen Auslegeschrift 1135182 dagegen schon deshalb nicht erfassen, weil die körperliche Verschiebung der Abbildungs-und/oder Messeinrichtung mit Hilfe der photoelektrisch gesteuerten Nachlaufeinrichtung wie dem erwähnten Nachlaufmotor eine viel zu grosse Trägheit für die Verfolgung selbst langsamerer Bewegungsvorgänge mit sich bringen würde.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes, das, nachdem der Gegenstand einmal in den Beobachtungsbereich gelangt ist, vollkommen stabil bleibt, auch dann nicht im Verhältnis zu der Bewegung des Gegenstandes ausser Tritt fällt, wenn sich die Beleuchtungsstärke oder eine andere Messbedingung ändert, und mit dessen Hilfe ferner eine automatische Synchronisierung mit dem Bewegungsverlauf des Gegenstandes möglich ist, wenn der Gegenstand bei Beginn der Messung in einer exzentrischen Lage sich befindet, so dass beispielsweise auch dann, wenn die Synchronisierung vorübergehend verlorengegangen ist, etwa infolge einer Erschütterung der Beobachtungsvorrichtung, vorübergehenden Stromausfalls od.
dgl., unmittelbar nach Beendigung der Störung automatisch wieder die erforderliche Synchronisierung eintritt, ohne dass deshalb eine Nachstellung von Hand oder auf anderem Wege erforderlich wäre.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Bild des Bezugspunktes und mindestens eine an den Bezugspunkt angrenzenden Teiles des Gegenstandes in ein entsprechendes Elektronenstrahlbündel umgewandelt, das Elektronenstrahlbündel in ein erstes Teilsignal, das einer im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber positive Abweichungen des Bezugspunktes anzeigt, und ein zweites Teilsignal, das der im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber negative Abweichungen des Bezugspunktes anzeigt, umgeformt und zerlegt wird, dass hierauf den positiven und negativen Abweichungen entsprechende elektrische Teilsignale erzeugt werden,
sodann ein die Differenz zwischen diesen beiden Teilsignalen repräsentierendes Regelsignal gebildet und fortlaufend so auf das Elektronenstrahlbündel gegengekoppelt wird, dass dessen Abweichungen gegenüber der Bezugsgrösse selbsttätig im wesentlichen auf Null abgeglichen werden, und dass der Verlauf des so erhaltenen Regelsignals fortlaufend optisch angezeigt wird.
Durch diese erfindungsgemässe Umwandlung des optischen Bildes in ein entsprechendes trägheitsloses Elektronenstrahlbündel, Aufspaltung dieses Elektronenstrahlbündels in zwei Teilsignale und negative Rückkopplung dieser beiden Teilsignale auf das Elektronenstrahlbündel so, dass unabhängig von dem Mass der Auslenkung des bewegten Gegenstandes aus einer Ausgangslage stets eine Rückführung des Elektronenstrahlbündels in die Nullage erfolgt, wird in der gewünschten Weise eine praktisch ohne jede Masseträgheit arbeitende Erfassung des Bewegungsablaufs eines Gegenstandes erreicht und dabei infolge des fortlaufenden Selbstabgleichs auch die gewünschte Stabilität gewährleistet.
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Eine erste, zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung ist in weiterer Ausbildung der Erfindung gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Bildwandlerröhre mit einer dem Gegenstand zugewandten Photokathode und einer in eine erste und eine zweite Hälfte unterteilten Abbildungsfläche für die Umwandlung des Bildes des Gegenstandes und dessen Bezugspunktes in entsprechende Elektronenstrahlen und für die anschliessende Rückwandlung der Elektronenstrahlen in mit der ersten und der zweiten Hälfte der Abbildungsfläche korrespondierende erste und zweite Bildstrahlen sowie mit einer zur äusseren Beeinflussung der Lage der Elektronenstrahlen im Verhältnis zu der Abbildungsfläche dienenden Ablenksystem ;
durch einen Doppelspiegel mit zwei der Abbildungsfläche zugewandten und zu dieser symmetrischen, einen Winkel einschliessenden Spiegelflächen, deren Schnittkante in einer Ebene mit einer Trennlinie zwischen den beiden Hälften der Abbildungsfläche liegt ; eine erste und eine zweite, zur Umwandlung der von den beiden Spiegelflächen reflektierten Bildstrahlen in entsprechende elektrische Signale geeignete und jeweils in den Weg der reflektierenden Bildstrahlen geschaltete lichtempfindliche Platte ; durch einen mit seinem Eingang an die elektrischen Ausgänge der beiden Platten und mit seinem Ausgang im wesentlichen unter Nullabgleich gegenkoppelnd an das Ablenksystem elektrisch angeschlossenen Differentialverstärker ;
sowie dadurch, dass in den Ausgangskreis des Differentialverstärkers ein Anzeigegerät für die fortlaufende optische Wiedergabe des Bewegungsverlaufs des Bezugspunktes geschaltet ist.
Eine zweite, zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besonders geeignete Vorrichtung kennzeichnet sich durch eine an sich bekannte Bildabtaströhre mit einer dem Gegenstand zugewandten Photokathode für die Umwandlung des Bildes des Bezugspunktes und mindestens eines an den Bezugspunkt angrenzenden Teiles des Gegenstandes in entsprechende Elektronenstrahlen, mit einer eine Öffnung aufweisenden, in dem Weg der Elektronenstrahlen liegenden Blende, mit einem von einer Wechselspannungsquelle fortlaufend gespeisten Ablenksystem für die äussere Beeinflussung der Lage der Elektronenstrahlen im Verhältnis zu der Blende sowie mit einem auf der der Photokathode abgewandten Seite der Blende angeordneten Elektronenvervielfacher ; durch eine von dem Ausgangssignal des Elektronenvervielfachers gespeiste und von der Wechselspannungsquelle gesteuerte Schalteinheit ;
durch einen mit seinem Eingang an den Ausgang der Schalteinheit und mit seinem Ausgang im wesentlichen unter Nullabgleich gegenkoppelnd an das Ablenksystem elektrisch angeschlossenen Differentialverstärker ; sowie dadurch, dass in den Ausgangskreis des Differentialverstärkers ein Anzeigegerät für die fortlaufende optische Wiedergabe des Bewegungsverlaufs geschaltet ist.
Zweckmässigerweise kann insbesondere die mit einer Bildwandlerröhre ausgestattete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer besonderen Vorrichtung zur unmittelbaren visuellen Betrachtung des auf der Abbildungsfläche der Bildwandlerröhre entworfenen Bildes versehen sein, die in die Bahn von einem teildurchlässigen Spiegel, der in dem Weg der von der Abbildungsfläche abgegebenen Bildstrahlen liegt, reflektierter Lichtstrahlen geschaltet ist, so dass auch eine fortlaufende optische Überwachung des Nullabgleichs möglich ist, anderseits, bei Abschaltung der Gegenkopplung, die jeweilige Auslenkung des Bezugspunktes aus seiner Ruhe-oder Ausgangslage verfolgt werden kann.
Um die jeweiligen Ausschläge des Anzeigegerätes auf gewünschte Messeinheiten eichen zu können, kann der Vorrichtung ein mechanisch starr mit einem Eichgegenstand verbundenes, zur Erzeugung von Auslenkungen bekannter Amplitude und/oder Frequenz geeignetes Eichgerät zugeordnet sein. Statt eines solchen mechanischen Eichgerätes kann der Vorrichtung jedoch auch ein Eichgerät mit zwei innerhalb des Bildbereiches der Vorrichtung liegenden, von einem Oszillator abwechselnd einschaltbaren und damit eine scheinbare Bewegung erzeugenden elektrischen Lampen zugeordnet sein, wobei dann auf Grund der jeweils bekannten (einstellbaren) Arbeitsfrequenz des Oszillators wieder die gewünschte Eichung bzw. eine Überprüfung der Vorrichtung erfolgen kann.
Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. l schematisch in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer optisch-elektronischen Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines Gegenstandes entsprechend der Erfindung ; Fig. 2 schematisch den Aufbau des optischen sowie des elektrischen Systems der Vorrichtung der Fig. l ; Fig. 3 in vergrössertem Massstab eine Teilansicht einer etwas abgewandelten Ausführung der in Verbindung mit Fig. 2 verwendeten Bildwandlerröhre ; Fig. 3a einen Querschnitt durch Fig. 3 längs der Linie 3a-3a ; Fig. 4 in verkleinertem Massstab eine Ansicht ähnlich Fig. 3 einer weiter abgewandelten Ausführungsform der Anordnung der Fig. 2 ;
Fig. 5 eine
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Anordnung ähnlich Fig. 2 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem zugeordneten Eichgerät ; und Fig. 6 schematisch ein weiteres, der Vorrichtung nach der Erfindung zugeordnetes Eichgerät.
Im einzelnen ist mit Fig. l schematisch ein allgemein mit --10-- bezeichnetes, tragbar ausgebildetes Gerät nach der Erfindung zur optisch-elektronischen, berührungslosen Erfassung zu
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--11-- wiedergegeben.Gegenstand --13-- gerichtet ist, dessen Bewegung von dem Gerät--10--nach der Erfindung erfasst werden soll. Der in Fig. l gezeigte Gegenstand --13-- ist repräsentativ für einen bewegten Teil bzw. eine bewegte Oberfläche, deren insbesondere etwa in Form von Vibrationen auftretende Bewegung
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innerhalb des Betrachtungsfeldes des Linsensystems--12--, wobei er zentrisch im Verhältnis dazu ausgerichtet ist.
Der Gegenstand --13-- kann beispielsweise Bestandteil einer im Betriebszustand vibrierenden Anlage sein, so dass der Bezugspunkt --14-- sich entsprechend den Vibrationen der Anlage hin-und herbewegt oder oszilliert, wobei das Gerät --10-- dann diese Schwingungen des Bezugspunktes - erfassen soll. An dem Gehäuse --11-- kann eine Betrachtungsvorrichtung-15- angebracht sein, mit deren Hilfe der Benutzer ein im Inneren des Gerätes erzeugtes, die Bewegungen des Bezugspunktes--14--wiedergebendes Bild beobachten kann.
In einer Wand des Gehäuses --11-- oder an einer sonstigen geeigneten Stelle kann ein Anzeigegerät-16-angebracht sein, mit dessen Hilfe das Messergebnis als Augenblickswert angezeigt oder aber auch fortlaufend in bleibender
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--16-- kommtAnzeigegerät-16-auch ein Frequenzmesser, der die Frequenz der Schwingung des Bezugspunktes --14-- anzeigt, oder eine sonstige geeignete Aufzeichnungsvorrichtung zur Abbildung einer Kurve oder einer andern bleibenden Aufzeichnung der Schwingung des Punktes --14-- dienen.
An der Aussenseite des Gehäuses --11-- des Gerätes --10-- kann in der mit Fig. l angedeuteten Weise ein flexibles Bandmass --17-- angebracht sein, das in ein von dem Gehäuse --11-- getragenes Bandmassgehäuse--18--einrollbar bzw. nach aussen zu dem Gegenstand --13-- hin ausziehbar ist, um den Abstand des Gegenstandes --13-- von dem Gerät--10-- anzuzeigen.
In Fig. 2 ist das Linsensystem --12-- schematisch dargestellt. Es wirft in der Regel ein
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einen bestimmten Teil der Bildfläche auftreffenden Elektronen der Stärke des auf den entsprechenden Bereich der Photokathode--19--fallenden Lichtes, so dass das auf der Abschlussfläche--22-- erzeugte Elektronenbild eine punktgenaue (umgekehrte) Reproduktion des auf der Photokathode
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der Röhre-20-ist"schnellen" Leuchtstoffen besteht, wie sie unter der Bezeichnung P15 und P16 bekannt sind, so dass an der Abschlussfläche-22-ein dem Elektronenbild entsprechendes sichtbares Bild erzeugt werden kann.
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herkömmlicher Ablenkspulen--24--, die jochförmig an der Aussenseite der Röhre angebracht sind, in Auf-oder Abwärtsrichtung abgelenkt werden.
Statt der Ablenkspulen --24-- können ebenso Ablenkplatten in Frage kommen, wenn für eine bestimmte Ausführung statt elektromagnetischer Ablenkung eine elektrostatische Ablenkung gewünscht wird.
Bildwandlerröhren der vorstehend beschriebenen Art stellen herkömmliche, zum Stand der Technik gehörende Bauelemente dar, so dass davon abgesehen werden kann, Konstruktion und Wirkungsweise einer solchen Röhre im einzelnen zu erläutern. Der Vollständigkeit halber wird jedoch auf die USA-Patentschrift Nr. 2, 179, 083 verwiesen, mit der eine typische Bildwandlerröhre beschrieben wird.
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Fig. 2) auf eine erste lichtempfindliche Platte--25--und das Licht des anderen Bereiches (obere Hälfte der Abschlussfläche --22-- der Fig.2) auf eine zweite lichtempfindliche Platte-26gerichtet wird. Dazu kann eine Linse--27--Verwendung finden, die dann eine umgekehrte Abbildung des Bildes der Abschlussfläche--22--in einer in Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten vertikalen Ebene --28-- entstehen lässt.
In den Strahlengang der Linse --27-- ist ein keilförmig ausgebildeter Doppelspiegel --29-- geschaltet, dessen vordere Schnittkante --30-- sich in horizontaler Richtung in Höhe der Mittellinie des in der Ebene--28--erzeugten Bildes (entsprechend einer horizontalen Trennlinie --31-- der Abschlussfläche --22-- bzw. der Leuchtschicht-23--) erstreckt.
Der Doppelspiegel --29-- weist eine obere geneigte reflektierende Spiegelfläche --32--, die alles oberhalb der Schnittkante --30-- liegende Licht nach oben zu der lichtempfindlichen platte --25-- wirft, so wie eine untere reflektierende Spiegelfläche-33-auf,
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Leitungen--34 und 35--zwei elektrische Signale erzeugen, deren Stärke sich entsprechend den Intensitätsänderungen des in der oberen bzw. unteren Hälfte der Leuchtschicht--23--auftretenden Gesamt-Elektronenstromes ändert.
Diese beiden Ströme speisen entgegengesetzt zueinander einen Differentialverstärker --36--, der dann in Ausgangsleitungen--37 und 38--einen verstärkten Strom fliessen lässt, der sich proportional zu den Änderungen der Differenz zwischen den beiden dem Differentialverstärker --36-- von den Platten --25 und 26--aus zugeführten Signalen ändert. Dieser von dem Verstärker erzeugte Strom durchfliesst die Ablenkungsspulen--24--in einer Richtung, so dass das in der Röhre auftretende Elektronenbild in einer Richtung und um einen Betrag ausgelenkt wird, so dass jede Änderung der Lage des Bildes auf der Leuchtschicht --23--, die zunächst die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden lichtempfindlichen Platten--25 und
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werden kann.
Diese Betrachtungsvorrichtung--15--kann einen halbdurchlässigen Spiegel--40-aufweisen, der einen gewünschten Anteil des von der Leuchtschicht--23--abgegebenen Lichtes zu
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unten durch die Linse --41-- sehen und das Bild auf der Leuchtschicht--23--beobachten. In dem Ausgangskreis des Verstärkers--36--kann ein Ausschalter--42--liegen, so dass
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entspricht. Der Benutzer hat damit die Möglichkeit, beim Durchsehen durch die Betrachtungsvorrichtung --15-- die Verschiebung des Bezugspunktes --14-- zu beobachten.
In der
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Bildebene der Betrachtungsvorrichtung --15-- kann eine lichtdurchlässige Platte--141-angeordnet sein, die ein Raster oder ein Fadenkreuz mit einer Masseinteilung trägt, so dass die jeweilige Verschiebung des betrachteten Bezugspunktes --14-- visuell gemessen werden kann.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des Gerätes nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 beschrieben. Es sei angenommen, dass das Gerät--10--so ausgerichtet ist, dass das Bild des beleuchteten Bezugspunktes --14-- zunächst genau in der Mitte der Photokathode --19-- liegt. In diesem Zustand, in dem in den Spulen --24-- kein Ablenkstrom fliesst, erzeugt die Röhre --20-- ein entsprechendes
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dass der Bezugspunkt --14-- sich zunächst auch genau im Mittelpunkt der Leuchtschicht--23- befindet.
Infolgedessen richten die Linse --27-- und die obere Spiegelfläche --32-- einerseits bzw. die untere Spiegelfläche--33--anderseits jeweils genau eine Hälfte des beleuchteten mittleren Gebietes der Schicht-23- (Bild des Bezugspunktes-14--) auf die obere lichtempfindliche Platte --25-- bzw. die untere lichtempfindliche Platte-26--. Die Ausgangssignale der beiden Platten--25 und 26-sind daher genau gleich gross, so dass in den Leitungen-37 und 38-kein Ausgangssignal erzeugt wird, das zu den Ablenkspulen --24-- gelangen könnte.
Wenn sich nun der Gegenstand --13-- mit seinem Bezugspunkt --14-- eine kurze Strecke aufwärts bewegt, so hat dies eine entsprechende Abwärtsbewegung des Bildes des Bezugspunktes - auf der Photokathode --19-- und eine entsprechende Aufwärtsbewegung des
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geringfügig--36-- in Ablenkspulen --24-- einen Ablenkstrom fliessen lässt.
Dieser Strom lenkt das Elektronenbild gerade in einem Masse in Abwärtsrichtung aus, das die geringfügige Aufwärtsbewegung des Bezugspunktes --14-- kompensiert und den beleuchteten Bezugspunkt --14-- genau in der Mitte der Leuchtschicht--23--hält. Ähnlich ruft eine Abwärtsbewegung des Punktes--14--eine umgekehrte Beeinflussung des Differentialverstärkers --36-- und damit der Ablenkspulen-24hervor, so dass die Ablenkspulen das Bild des Bezugspunktes --14-- auf der Leuchtschicht-23-- in Aufwärtsrichtung in die richtige Mittellage zurückkehren lassen.
Auf diese Weise bleibt das Bild des Bezugspunktes --14-- unabhängig von den Auslenkungen des Punktes --14-- auf der Leuchtschicht-23-immer in der ursprünglichen Mittelpunktslage, wobei der an die Ablenkspulen --24-- abgegebene Rückkopplungs-oder Gegenkopplungsstrom, der genau dem jeweils für die Kompensierung der Bewegung des Bezugspunktes --14-- erforderlichen Strom entspricht, ständig der Grösse der Auslenkung des Bezugspunktes--14--aus seiner ursprünglichen Mittellage proportional ist.
Das beispielsweise von einem Galvanometer oder einem andern geeigneten Anzeigeinstrument gebildete Anzeigegerät --16-- zeigt dabei fortlaufend den an die Ablenkspulen-24abgegebenen Strom an, so dass etwa von dem Zeiger eines Galvanometers eine unmittelbare Anzeige der Verschiebung des Bezugspunktes --14-- in eine der beiden entgegengesetzten Richtungen (aufwärts oder abwärts) geliefert werden kann.
Fig. 3 und 3a zeigen ausschnittweise eine Anordnung, die an sich der Anordnung der Fig. l und 2 entspricht, sich jedoch bezüglich der hier mit--20a--bezeichneten Bildröhre sowie des sich daraus ergebenden Wegfalls eines Teiles des optischen Systems zwischen der Röhre und dem hier mit - -36a-- bezeichneten Differentialverstärker unterscheidet. In den Fig. 3 und 3a ist die Leuchtschicht - -23-- der Fig. 2 entfallen und durch zwei zueinander komplementäre elektrisch leitende Querplatten - 25a und 26a-ersetzt worden, die im wesentlichen den ganzen Querschnitt der Innenfläche der Abschlusswandung --22a-- der Röhre bedecken und längs einer schmalen horizontalen Linie --31a-- voneinander isoliert sind, die die obere und die untere Hälfte der Röhre voneinander trennt.
Das in Fig. 2 auf die Leuchtschicht --23-- auftreffende elektronenbild fällt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bzw. 3a unmittelbar auf die beiden Platten-25a und 26a--, wobei
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Stromfluss durch den Differentialverstärker --36a-- hervorrufen. Diese Ströme bilden Signale, die den beiden zu dem Differentialverstärker --36-- der Fig.2 geleiteten Signalen entsprechen, und erzeugen ein Ausgangssignal, das wieder in der gleichen Weise, wie in Verbindung mit Fig. l und 2 erläutert, auf
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die Ablenkspulen --24a-- rückgekoppelt wird. Die Ablesung dieses zusammengesetzten Ablenksignals erfolgt in der bereits erläuterten Weise, wobei das Elektronenbild in der gleichen Weise wie in Fig. 2 so
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Röhre-20a-Fig. 3 ausüben zu lassen.
Leuchtschichten sind normalerweise elektrisch leitend, wie das für Fig. 3 erforderlich ist, um die Elektronen ableiten zu können. Wenn die Platten-25a und 26a-leuchtend bzw. fluoreszierend ausgebildet sind, können sie optisch durch eine Vorrichtung etwa entsprechend der Betrachtungsvorrichtung-15-der Fig. 2 beobachtet werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, deren Aufbau im wesentlichen dem Aufbau der Fig. 3 entspricht, bei der jedoch die beiden Platten-25a und 26a-durch zwei
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--25b- -34b, 35b-- geeignete Ausgangssignale erhalten werden. Die Wirkungsweise des übrigen Teiles des Gerätes ist die gleiche wie in Verbindung mit Fig. l und 2 beschrieben.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der an Stelle der Bildwandlerröhre --20-- der Fig. 2 eine herkömmliche Bildzerlegungs- oder Bildabtaströhre --20c-- Verwendung
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Bildabtaströhre-20c-fällt- -14c--. Wie in Fig. 2 erzeugt die Röhre --20c-- ein Elektronenbild, das hier durch eine Elektronenlinsenanordnung auf eine in Nähe der Abschlusswandung --22c-- der Röhre --20c-befindliche leitende Blende --23c-- fokussiert wird.
Diese Blende --23c-- weist keinerlei Durchbrechungen auf und fängt daher alle Elektronen des Elektronenbildes ab, ausgenommen im Bereich einer kleinen zentrischen Öffnung-43-, durch die einen sehr stark örtlich begrenzten Anteil des Elektronenbildes bildende Elektronen nach rechts zu einem schematisch angedeuteten Elektronenvervielfacher --44-- gelangen können. Die hier mit --24c-- bezeichneten Ablenkspulen werden in diesem Fall fortlaufend von einer schematisch angedeuteten Wechselspannungsquelle - gespeist, so dass das Elektronenbild fortlaufend in Aufwärts- und Abwärtsrichtung im Verhältnis zu der leitenden Platte --23c-- bewegt wird und damit praktisch eine Abtastung des Elektronenbildes in der Röhre --20c-- durch die Öffnung--43--erfolgt.
Das heisst, die zu einem
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wiedergeben. Nachdem das Bild so in Abwärtsrichtung abgetastet worden ist, tastet die Öffnung --43-- das Bild in gleicher Weise in Aufwärtsrichtung ab, worauf dieser Vorgang dann mit einer
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des auf der photokathode --19c-- abgebildeten Bildes wiedergeben, der oberhalb dessen Mittellinie liegt.
Sobald im Verlauf des Abtastvorgangs ein Punkt erreicht wird, an dem die durch die Öffnung --43-- tretenden Elektronen sich in der Mitte des Elektronenbildes (entsprechend der Mittellinie der Photokathode bzw. des Gegenstandes-13c--) befinden, ändert die Schalteinheit ihren Zustand, so dass das Ausgangssignal des Elektronenvervielfachers die Leitung --35c-- speist, wenn die Öffnung - 43-in Abwärtsrichtung über die Mittellinie hinaus wandert und damit mit Elektronen
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beaufschlagt wird, die unterhalb der Mittellinie der Photokathode--19c--liegende Bereiche des sichtbaren Bildes wiedergeben.
In ähnlicher Weise schaltet die Schalteinheit während einer
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Ablenkplattengruppe geführt sein, so dass mit Hilfe des sie speisenden Differenzsignals für eine genaue Kompensation der durch Verschiebung des Bezugspunktes--14c--hervorgerufenen Aufwärts-oder Abwärtsablenkung des in der Röhre--20c--vertikal hin-und herschwingenden Elektronenbildes aus seiner Mittellage gesorgt werden kann.
Das Kompensationssignal in den Leitungen--37c und 38c-hält somit die Mittellage des vertikal auf-und abschwingenden Elektronenbildes unabhängig von der
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- 39c-- angeschlossenen Anzeige- oder Aufzeichnungsgerätes --16c-- der die Ablenkspulen - -24c-- durchfliessende Strom erfasst wird und dieser damit eine genaue Anzeige der Auslenkung des Messpunktes --14c-- bzw. des Gegenstandes--13c--aus seiner Ruhelage liefern kann.
In Verbindung mit Fig. 5 ist der Gegenstand--13c--als Bestandteil eines speziellen Eichgerätes --49-- wiedergegeben worden, das beispielsweise als Vibrator oder mechanischer Oszillator mit einem mitschwingenden, nach oben ragenden Schaft--50--, an dem der Gegenstand--13c--befestigt ist, ausgebildet sein kann. Dieser Vibrator kann fest eingestellt sein, so dass er mit einer vorgegebenen Frequenz schwingt, oder aber verstellbar sein, so dass er mit verschiedenen Frequenzen schwingt bzw.
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--14c-- umAnzeige-oder Aufzeichnungsgerät--16c--so zu eichen, dass eine genaue Anzeige der Frequenz oder des Masses der Auslenkung des Gegenstandes--13c--erhalten wird, und in ähnlicher Weise können damit auch sonstige Überprüfungen des Gerätes durchgeführt werden.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Eichgerätes --51--, das zwei elektrische Lampen--52 und 53--aufweisen kann, die sich beide innerhalb des Bildbereiches des Linsensystems - 12-- der Bildwandlerröhre --20-- der Fig.1 befinden. Das Eichgerät-51-enthält einen Oszillator--54--, der die beiden Lampen--52 und 53-abwechselnd einschaltet, so dass eine scheinbare Bewegung des Beleuchtungsfeldes innerhalb des Bildbereiches des Linsensystems--12-erzeugt wird, mit deren Hilfe das mit der Bildwandlerröhre-20-versehene Gerät-10-geeicht bzw. in seiner Funktionsfähigkeit überprüft werden kann.
Für alle beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gilt, dass das in Abhängigkeit von den Bewegungen des Gegenstandes erzielte Differenzsignal bzw. aus zwei Signalhälften zusammengesetzte Signal dem die Bewegung des Gegenstandes beobachtenden System unabhängig von Änderungen der Randbedingungen, die andere Systeme nachteilig beeinflussen könnten, ein Maximum an Stabilität und in maximaler Weise die Fähigkeit verleiht, der Bewegung des Gegenstandes zu folgen und damit eine Nichterfassung des Bewegungsablaufs des Gegenstandes zu verhindern.
Selbst wenn der Bezugspunkt --14-- der Fig. l oder eine entsprechende Messfläche bei einer andern Ausführungsform der Erfindung sich anfänglich nicht in einer zentrierten Lage befindet, in der sein Bild auf der Photokathode-19bzw. deren Äquivalent nicht zentriert ist, ist das Gerät nach der Erfindung funktionsfähig und spricht dann in der Weise auf die ungleiche Verteilung des Lichtes in den beiden Hälften des beobachteten Gegenstandes an, dass das Elektronenbild in der Röhre in eine richtig zentrierte Lage verschoben wird, in der sich wieder ein Gleichgewichtszustand ergibt.
Das Gerät nach der Erfindung ist somit in der Lage, sich selbsttätig auch auf einen zunächst nicht zentrierten Messgegenstand einzustellen oder aber von neuem die richtige Zuordnung zu einem vorügergehend aus dem Bildfeld ausgewanderten Messgegenstandes zu gewinnen, was in Verbindung mit dem hier massgeblichen Anwendungsbereich von grosser Bedeutung ist.
Naturgemäss arbeiten das Verfahren bzw. ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignetes Gerät nach der Erfindung ebenso, wenn der Messpunkt --14-- der Fig. 1 dunkel und dementsprechend die übrige Fläche hell ist oder aber eine andere Aufteilung von hellen und dunklen
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Flächen Verwendung findet, die sich zur Erzeugung von Ausgangssignalen der lichtempfindlichen Platten--25, 26-- (bzw. deren Äquivalenten) eignet, die einander in nur einer Lage des
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Ausführungsbeispiele) müssen miteinander vertauscht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur optisch-elektronischen, berührungslosen Erfassung des Bewegungsverlaufs eines beleuchteten, mit einem Bezugspunkt versehenen Gegenstandes, insbesondere zur Untersuchung seines
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mindestens eines an den Bezugspunkt (14) angrenzenden Teiles des Gegenstandes (13) in ein entsprechendes Elektronenstrahlbündel umgewandelt, das Elektronenstrahlbündel in ein erstes Teilsignal, das einer im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber positive Abweichungen des Bezugspunktes (14) anzeigt, und ein zweites Teilsignal, das der im Verhältnis zu dem Elektronenstrahlbündel feststehenden Bezugsgrösse gegenüber negative Abweichungen des Bezugspunktes (14) anzeigt, umgeformt und zerlegt wird,
dass hierauf den positiven und negativen Abweichungen entsprechende elektrische Teilsignale erzeugt werden, sodann ein die Differenz zwischen diesen beiden Teilsignalen repräsentierendes Regelsignal gebildet und fortlaufend so auf das Elektronenstrahlbündel gegengekoppelt wird, dass dessen Abweichungen gegenüber der Bezugsgrösse selbsttätig im wesentlichen auf Null abgeglichen werden, und dass der Verlauf des so erhaltenen Regelsignals fortlaufend optisch angezeigt wird.
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