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Optische Meßsonde zur dynamischen Wegmessung Die Erfindung betrifft
eine optische Meßsonde zur dynamischen Wegmessung von bewegten Teilen mit einer
Lichtquelle und einer lichtempfindlichen Anordnung sowie einer Vielzahl von Lichtleitern,
die es gestattet, Weg-Zeit-Funktionen berUhrungsfrei und ohne Beeinflussung durch
die Meßeinrichtung aufzunehmen.
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Die genannte Meßsonde di-ent zur Aufnahme der Kurve s = f (t) von
vorzugsweise kleinen mechanischen Teilen um deren-.Bewegungsabläufe zu erkennen
und zu analysieren und sie gegebenenfalls mit zugeordneten elektrischen Zeitfunkt.tonen,
z. B der Stromkurve eines Magneten, der das betreffende Teil bewegt, in Zusammenhang
zu bringen, Messungen dieser Art sind in der Praxis notwendig, um den Energiebedarf
und -verlauf für eine gewünschte Bewegung richtig.zu steuern und unerwünschte Bewegungsabläufe
(beispielsweise Schwingungen) zu verhindern. Aus der erhaltenen Kurve s = f (t),
die den zurückgelegten Weg in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt, lassen sich
ferner im Bedarfsfall auch die Kurven v (t) und b (t), also Geschwindigkeit und
Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit, ableiten.
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Eine optische Meßsonde, die berührungsrrei und ohne Beeinflussung
des zu messenden Teils arbeitet, ist zur Lage- und Längenmessung bekannt (dt, Offenlegungsschrift
1 448 394).
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Sie besteht aus einer Reihe langgestreckter StrahlenUbertragfungselemente,
die die Strahlung Uber ihre gesamte Länge durch Mehrfach-Innenreflexion übertragen,
wobei die Aufnahmeenden der Elemente jeweils einen langgestreckten Querschnitt besitzen
und in einer Reihenanordnung nit 1den Längsseiten parallel zueinander mit engem
Abstand nebeneinander
angeordnet sind, während die anderen Enden
der Elemente jeweils einzeln Strahlungsempfängern gegenüberliegen, wobei die von
einem Element übertragene Strahlung jeweils einen einzigen Strahlungsempfänger erregt.
Mit dieser Vorrichtung läßt sich zwar die Lage und die Länge eines strahlenaussendenden
Körpers, z. B. eines rotglühenden Blechs, feststellen, nicht aber die Bewegung eines
beliebigen mechanischen Teils in Ahhängigkeit von der Zeit messen.
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Für Bewegungsaufnahmen an schnellen Mechanismen ist eine optische
Meßsonde nach dem Prinzip der Lic-htschranke bekannt (Industrie-Anzeiger, Jg. 91,
Nr. 4, S. 24 bis 26). Bei ihr wird ein paralleles Lichtbündel über ein Prisma in
einen Meßspalt gel-enkt, in den eine am zu messenden Teil angebrachte Fahne eintaucht
und mehr oder weniger große Teile des Lichtes ausblendet. An der anderen Seite des
Meßspalts befindet sich ein zweites Prisma, das das restliche Licht auf eine Fotozelle
lenkt. Diese Einrichtung setzt voraus, daß das zu messende Teil von beiden Seiten
zugänglich ist; sonst muß es mit einer starr daran befestigten Fahne versehen werden,
die das Gewicht des Teils und damit seine Bewegung verändert. Die Parallelisierung
des Lichts einerseits und seine Konzentration auf die Fotozelle andererseits erfordern
neben den Prismen beiderseits des Meßspalts weitere optische Systemes die die Sonde
so unförmig machen, daß damit nur an leicht zugänglichenStellen, nicht aber im Innern
von mechanischen Aufbauten gemessen werden kann.-Ziel der Erfindung ist demgegenüber
eine- berührungsfrei arbeitende Meßsonde, die das Meßobjekt nicht beeinflußt und
die auch Messungen an schwer oder einseitig zugänglichen Stellen-, z, Be an einem
inmitten einer Reihe weiterer Tastenhebel angeordneten Tastenhebel einer Tastatur,
gestattet. Dies wird nach der Erfindung durch eine optische Meßsonde mit einer Lichtquelle,
einer llchtempfindlichen
Anordnung sowie einer Vielzahl von Lichtleitern
dadurch erreicht, daß die Lichtleiter zu zwei Bündeln zusammengefaßt sind, von denen
das eine zur Lichtquelle und das andere zur- iichtemprindiichen Anordnung führt,
und an der Meßstelle je ein Lichtleiter -aus dem ersten Bündel neben einem Lichtieiter
aus dem zweiten Bündel linear angeordnet ist.
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Die Lichtleiter können dabei biegsam ausgebildet sein, so daß sie
auch um Ecken und durch Spalte geführt werden können.
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Durch das erste Bündel wird das zu messende Teil beleuchtet, und das
zweite führt das von diesem Teil reflektierte Licht einer lichtempfindlichen Anordnung,
beispielsweise einer Fotozelle, Fotodiode oder einem Fotowiderstand zu. Durch die
lineare Anordnung der Lichtleiter beider Bündel nebeneinander ist an der lichtempfindlichen
Anordnung ein Meßwert abnehmbar, der jeweils der Ausdehnung des gerade an der Meßstelle
befindlichen Teils des Meßobjekts entspricht, sofern das Meßobjekt gegenüber seiner
Umgebung unterschiedliches Reflexionsvermögen aufweist, Da die als Meßobjekte in
Frage kommenden Teile sich aber nicht in allen Fällen bezüglich ihres Reflexionsvermögens
von ihrer Umgebung abheben, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß das
zu messende bewegte Teil an der Meßstelle mit einem definierten Bereich von gegenüber
seiner Umgebung unterschiedlichem Reflexions- oder Absorptionsvermögen-versehen
ist.
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Ein derartiger Bereich kann einfach durch Aufkleben eines dünnen weißen
oder glänzenden Papiers auf das Meßobjekt geschaffen werden. Die Meßwerterfassung
wird, da nach obigem der von der lichtempfindlichen Anordnung gelieferte Wert der
Ausdehnung des gerade abgetasteten Abschnitts entspricht, besonders einfach, wenn
dieses Papier nicht gleichmäßig, z. B. quadratisch ist, sondern seine Schnitte senkrecht
zur
Bewegung wichtung wachsende oder abnehmende Längen ergeben. Eine Ausgestaltung der
Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich unterschiedlichen
Reflexions- oder Absorptionsvermögens ent- -sprechend der zu messenden Funktion
ausgebildet ist, das heißt z. B. zur Aufnahme einer linearen Funktion dreieckförmig,
zur Aufnahme eines Winkels in Form -einer geometrischen Figur von mit dem Winkel
zunehmender Breite und zur Aufnahme einer quadratischen oder anderen nichtlinearen
Funktion mit entsprechenden nichtlinearen Begrenzungslinien.
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Läßt sich ein derartiger Bereich auf dem Meßobjekt nicht anbringen,
ist nach einer anderen Ausführung der Erfindung vorgesehen, daß der Bereich unterschiedlichen
Reflexions-oder Absorptionsvermögens rechteckförmig ausgebildet ist und die Lichtleiter
des einen oder anderen Bündels derart angeordnet sind, daß die durch die Leiter
des ersten Bündels an die Meßstelle geführte Beleuchtung oder das durch die Leiter
des zweiten Bündels zur lichtempfindlichen Anordnung geführte reflektierte Licht
in Bewegungsrichtung des zu messenden Teils entsprechend der zu messenden Funktion
ansteigt oder- abfällt.
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In jeder der obengenannten Ausführungen wird ein besonders einfacher
Aufbau der Meßsonde dadurch erzielt, daß nach einer Weiterbildung der Erfindung
als Lichtleiter die Fasern einer an sich bekannten Faseroptik eingesetzt sind.
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Die Genauigkeitsgrenze der Meßsonde ist dort erreicht, wo das Auflösungsvermögen
der Faseroptik aufhört, Eine Weiterbildung der Erfindung Uberschreitet diese Grenze
einfach dadurch, daß an der Meßstelle zwischen dem zu messenden
Teil
und dem gemeinsamen Ende beider Bündel optische Mittel vorgesehen sind, die das
zu messende Teil oder den darauf befindlichen Bereich$ unterschiedlichen Reflexions-
oder Absorptionsvermögens auf dem gemeinsamen Ende beider Bündel abbilden. Diese
zusätzlichen optischen Mittel bewirken vorzugsweise eine Vergrößerung des zu messenden
Teils bzw. des auf ihm befindlichen Bereichs unterschiedlichen Reflexions-oder Absorptionsvermögens.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch einfache Mittel genaue Messungen von Bewegungsabläufen, auch an schwer
zugänglichen Stellen und ohne Eingriff in diese Abläufe, möglich sind, daß ferner
durch entsprechende Ausgestaltung des reflektierenden oder absorbierenden Bereichs
nicht nur lineare Funktionen, sondern auch deren Ableitungen sowie Krelsfunktionen
unmittelbar als Meßwerte erhalten werden und darstellbar sind. Durch die Form des
reflektierenden oder absorbierenden Bereichs können auch Nichtlinearitäten, die
z. B. bei der lichtempfindlichen Anordnung vorhanden sein könnten, kompensiert werden.
Außerdem ist die Meßsonde der Erfindung statisch eichbar, so daß sie stets vergleichbare
Ergebnisse liefert.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Fig. 1 bis 3 gezeigten
AusfUhrungsbeispiels beschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es stellen
dar: Fig, 1 ein Ausführungsbeispiel der optischen Meßsonde, Fig. la eine vergrößerte
Darstellung des rechten Teils von Fig. 1, Fig. 2 und 3 AnwendungsbeispieB fUr die
Meßsonde von Fig. 1, Die in Fig. 1 gezeigte Meßsonde besteht aus zwei Bündeln 1
und 2 von einzelnen Lichtleitern l/l,..n und 2/l...n, die vorzugsweise durch die
Fasern einer bekannten Faseroptik
gebildet werden. Das Bündel 1
liegt mit seinem Ende h an einer Lichtquelle 3 und führt deren Licht zum Ende a,
das an die Meßstelle gebracht wi-rd. Das Bündel 2 leitet die an der Meßstelle, also
an seinem Ende a aufgenommene reflektierte Strahlung zu einer Fotodiode 4, die unmittelbar
am Ende b des Bündels 2 angeordnet ist. Dabei sind die Fasern 1/l...n und 2/l...n
beider Bündel 1 und 2 am Ende a so geführt; daß sich -linear angeordnet - jeweils
eine Faser aus dem Bündel 1 neben einer Faser aus dem Bündel 2 befindet. Diese Anordnung
ist in Fig, la vergrößert wiedergegeben.
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Über die Fasern 1/l..,n wird das jeweilige Meßobjekt beleuchtet, während
die Fasern 2/l...n das vom MeßobJekt reflektierte Licht der Fotodiode 4 zuführen.
Die Fotodiode 1S liefert einen Kurzschlußstrom, der linear von der Stärke des auf
sie fallenden reflektierten Lichts abhängt. Da gemäß Fig. la die Fasern 1/l..,n
und 2/i...n beider Bündel 1 und 2 am Ende a über die gesamte Meßstelle gleichmäßig
verteilt sind, entspricht der von der Fotodiode 4 zu jedem Zeitpunkt gelieferte
Kurzschlußstrom unmittelbar der Ausdehnung des zu diesem Zeitpunkt vor der Meßstelle
befindlichen reflektierenden Bereichs.
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Weist das Meßobjekt also nicht parallele; sondern beispielsweise aufeinander
zulaufende Begrenzungskanten auf, steigt oder fällt der an der Fotodiode 4 abnehmbare
Strom während einer Bewegung des Meßobjekts im gleichen Maße, wie sich die reflektierende
Fläche an der Meßstelle ändert. Im allgemeinen kann man bei den Meßobjekten keine
bestimmte Form voraussetzen; deshalb wird das Meßobjekt mit einem reflektierenden
Bereich versehen, der eine für die Meßwerterfassung besonders geeigne-te Form hat,
Dies wird anhand der in Fig. 2 und 3 gezeigten Anwendungsbeispiele beschrieben.
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In Fig. 2 ist als Meßobjekt ein Tastenhebel 5 mit einem Ansatz 5a
dargestellt, der sich in PSeilrichtung-auf und ab bewegt, Um den- Ablauf dieser
Bewegung zu erfassen, ist der
Ansatz 5a mit einem Dreieck 6 aus
weißer Farbe oder aufgeklebtem weißen Papier versehen. Ihm gegenüber wird die Meßsonde
mit ihrem Ende a, wie gestrichelt angedeutet, gebracht.
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Der Tastenhebel befindet sich dabei in seiner (oberen) Ruhestellung.
In dieser Position gelangt noch kein Licht zur Fotodiode 4 und erzeugt dort dementsprechend
auch keinen Strom. Beim Niederdrücken des Tastenhebels 5 bewegt sich sein Ansatz
5a mit dem Dreieck 6 nach unten, und im gleichen Maße, wie der reflektierende Bereich
vor der Meßstelle zunimmt, wächst auch der von der Fotodiode 4 gelieferte Strom.
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Bei gleichförmigem Ablauf der Bewegung stiege dieser Strom linear
an, bei Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf sind diese unmittelbar aus den Abweichungen
des Fotodiodenstroms von einem linearen Anstieg zu erkennen. Auf einem angeschlossenen
Oszillografen, der den Stromverlauf wiedergibt, ist damit der Bewegungsablauf direkt
abzulesen. Wenn der Hebel 5 mit Ansatz 5a nicht von Hand, sondern über einen Magneten
o. ä. bewegt wird, läßt sich gleichzeitig der Verlauf des Antriebsstroms oszillografisch
abbilden und so eine Zuordnung von Antrieb und Bewegung erhalten.
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Beim Loslassen des Tastenhebels 5 bewegt sich der Ansatz 5a wieder
nach oben. Dabei erscheint zunächst die Basis des Dreiecks 6 und dann ein ständig
abnehmender Bereich an der Meßstelle a, der einen entsprechend absinkenden Strom
durch die Fotodiode 4 zur Folge hat. Auch hier prägen sich Schwingungen und dergleichen
des Tastenhebels 5 unmittelbar in Abweichungen des Fotodiodenstroms von einer linear
fallenden Kurve aus.
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Wenn, wie in Fig. 3 angedeutet ist, die Bewegung eines rotierenden
Meßobjekts 7 aufzUnehmen ist, wird anstelle eines Dreiecks ein reflektierender Bereich
8 von der Gestalt eines um eine gedachte konzentrische Mittellinie 9 gekrümmten
Dreiecks
auf dem Meßobjekt 7 angebracht, um die gleichen Ergebnisse
wie beim vorhergehenden Beispiel zu erhalten.
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Die Form des reflektierenden Bereichs ist auch in anderen Fällen leicht
dem Anwendungsfall anzupassen. Soll eine lineare Funktion, beispielsweise die Weg-Zeit-Funktion,
aufgenommen werden, ist dem reflektierenden Bereich einfach die Form zu geben, die
bei gleichmäßiger Bewegung einen linearen Anstieg oder Abfall des Fotodiodenstroms
zur Folge hätte. Auf diese Weise lassen sich auch Nichtlinearitäten in der Kennlinie
der Fotodiode 4 durch.entsprechende Kantenkrümmung des reflektierenden Bereichs
6 bzw. 8 ausgleichen.
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In manchen Fällen mag nicht der Weg; sondern die Geschwindigkeit oder
auch die Beschleunigung des bewegten Teils 5 oder 7 interessieren. Beide Angaben
lassen sich aus der Weg-Zeit-Funktion mathematisch oder elektrisch ableiten und
können im letzteren Falle unmittelbar auf dem Oszillografen dargestellt werden.
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Statt eine Dreieckes 6 in Fig. 2 bzw. eines gekrümmten Dreiecks 8
in Fig. 3 läßt sich auf dem Meßobjekt 5 bzw. 7 auch einfach ein weißer Strich in
oder senkrecht zur Bewegungsrichtung anbringen. Im ersten Fall ist das Ende a der
Sonde wie gezeichnet, -im zweiten senkrecht dazu gegenüber dem Meßobjekt 5 bzw.
7 anzubringen. Außerdem müssen zur eindeutigen Bewegungsanalyse die neben- oder
untereinander angeordneten Fasern l/l.,n des Bündels 1 oder die entsprechend angeordneten
Fasern 2/l...n des BUndels 2 Je Flächeneinheit unterschiedliche Lichtmengen zur
Meßstelle oder von der Meßstelle weg führen, z. B. von linkes nach rechts bzw. von
oben nach unten zunehmende Lichtmengen, was durch eine in dieser Richtung steigende-
Anzahl von Fasern Je Flächeneinheit erreicht wird. Dann erzen sich die gleichen
Wirkungen wie oben beschrieben.
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Wenn das zu untersuchende Teil 5 bzw. 7 sehr klein ist und einen entsprechend
kleinen reflektierenden Bereich 6 bzw. 8 oder einen sehr feinen Strich verlangt,
kann davor ein nicht dargestelltes Objektiv angeordnet werden, das das Dreieck 6
(8) bzw. einen an seiner Stelle vorgesehenen Strich vergrößert auf dem Bündelende
a abbildet. Ohne ein derartiges Objektiv sind Bewegungen von wenigen Millimetern
in der Praxis noch sehr gut auswertbar, mit zusätzlichen Objektive gelangt man um
einige Größenordnungen darunter.-Die beschriebene Anordnung ist statisch eichbar,
und zwar entweder bei voller Reflexion durch entsprechende Einstellung des dann
erhaltenen Maximalwerts des von der Fotodiode 4 gelieferten Stroms bzw, einer daraus
gewonnenen Spannung oder umgekehrt bei minimaler Reflexion. Zur Überprüfung der
Linearität lassen sich selbstverständlich auch beliebig viele Zwischenwerte statisch
kontrollieren, indem bei einem definierten Weg die zugeordnete Ausgangsspannung
auf Proportionalität geprüft wird. Diese Eichung gilt dann auch für den dynamischen
Fall. Auf diese Weise werden stets vergleichbare Ergebnisse hoher Genauigkeit erzielt.